Sistemas de Cableado Estructurado Fibra Óptica
Consideraciones sobre fibra óptica al migrar a 100G
EL PASADO HASTA 10G
«Antes las cosas eran más sencillas». ¿Cuántas veces hemos escuchado esto? Pero para aplicaciones de fibra esto es especialmente cierto. Hasta Ethernet de 10Gbps, solo se tenía que usar cualquier enlace dúplex y la aplicación trabajaría hasta la distancia especificada. ST, SC, LC o cualquiera de los conectores más exóticos funcionaría. A continuación, se muestra la tabla de soluciones de 1Gbps y 10Gbps en multimodo y monomodo.
Los sistemas de fibra multimodo son más económicos porque los transceptores, usando una fuente de luz VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Light), son significativamente menos costosos que los transceptores monomodo que utilizan láser. Y aunque el propio cable es menos costoso en monomodo, la suma del cable y la electrónica sigue estando a favor del multimodo.
De ahí la amplia adopción de soluciones multimodo para distancias más cortas.
LUEGO VINO 40G
Esa gran invención llamada VCSEL trajo una solución multimodo 10G asequible hace unos 20 años, pero tiene una debilidad: la tasa de transmisión de datos limitada. Los datos en una fibra se envían generalmente como “luz” o “noluz”. Piense en esto como encender y apagar una luz, solo que realmente rápido. Mientras su lámpara de luz común puede necesitar un par de segundos para hacer el cambio, un VCSEL lo hace significativamente más rápido, pero aún con un retardo.
Ese retardo es el límite de la tasa de transmisión de datos que se puede enviar.
Cuando apareció Ethernet de 40G en el 2010, ese VCSEL no pudo “parpadear” lo suficientemente rápido para tal tasa de transmisión de datos. Entonces, la única solución posible era enviar 4 señales de 10G en paralelo. Sabiendo que una señal requiere 2 fibras (1 de envío y 1 de recepción), significa que 40G requiere 8 fibras. De ahí la necesidad de otro conector con múltiples fibras.
Esto trajo el éxito del MPO, un conector de 12 fibras existente. Se muestran ejemplos de conectores LC y MPO.
Luego apareció 100G, usando diez señales 10G y, por lo tanto, 20 fibras, lo que condujo a la creación de una versión de 24 núcleos del MPO.
Durante este tiempo, el monomodo ya era capaz de conseguir tasas de transmisión de datos mucho mayores gracias a una tecnología llamada WDM,
o multiplexación por división de longitud de onda.
Ésta simplemente envía múltiples señales en las mismas fibras, pero usando diferentes longitudes de onda, o colores. Puede ser costoso, pero
ciertamente justificado para grandes distancias donde la necesidad de más fibras habría sido mucho más cara.
25 y 50G
Las tecnologías evolucionan y los VCSELS fueron capaces de transmitir a 25Gbps en el 2017 y luego a 50Gbps en el 2018 usando una modulación PAM4.
Es decir, en lugar de tener solo Encendido/Apagado, también se tenían 2 niveles extra de luz parcial, para un total de 4 niveles, duplicando la cantidad de información enviada con cada “parpadeo”.Esto luego permitió, en multimodo, tasas de transmisión de datos de 100, 200 y 400Gbps usando 4, 8 y 16 fibras, pero para distancias mucho más cortas que el 10G anterior, que podía alcanzar 400m. La razón es que estas soluciones fueron optimizadas para cortas distancias de conexiones de servidores en centros de datos: La potencia de la luz fue reducida para optimizar el costo y, por lo tanto, limitando el alcance. A continuación, se muestra una tabla de distancias alcanzadas por tasa de transmisión de datos con aplicaciones estándar (sin WDM).
Monomodo, nuevamente, podía ofrecer las mismas tasas de transmisión de datos para distancias mucho mayores usando WDM y nuevamente por un costo significativamente mayor.
Pero esto dejó un vacío en las soluciones: O bien alcances muy cortos en multimodo usando conectores MPO, o monomodo muy costoso para todo lo demás.
OM5
Se encontró una primera solución usando la tecnología WDM en multimodo para usar solo 2 fibras. El tema es que las fibras OM3 y OM4 están optimizadas para 850nm, mientras que WDM requiere enviar 4 señales entre 850 y 950nm.
Esto condujo al desarrollo de la fibra OM5, que ofrece el mismo rendimiento que la OM4, pero con capacidades adicionales con longitudes de onda mayores.
En la actualidad, existen aplicaciones de hasta 100Gbps para enlaces dúplex usando WDM en multimodo y, por lo tanto, optimizadas en fibras OM5. Estas ya se utilizan también combinadas con óptica paralela para proporcionar hasta 400Gbps en 8 fibras. Mañana, como las tecnologías evolucionan, OM5 seguirá permitiendo tasas de transmisión de datos para distancias más largas que OM4 gracias a WDM.
LA SOLUCIÓN BASE-DR
Si bien OM5 permite altas tasas de transmisión de datos hasta 150m, todavía no cubre una necesidad del mercado de una solución razonablemente económica que alcance los 500m. Aquí es donde aparece el Base-DR. Esta es una familia de aplicaciones recientes para monomodo, que permite hasta 400Gbps, pero con un costo mucho menor que los transceptores diseñados para largas distancias. Los requerimientos impusieron 2 restricciones:
• Menor potencia de señal para alcanzar solo 500m, lo que significa menores presupuestos de pérdidas de inserción en el cableado. Esto significa que se necesitan conectores de mejor rendimiento.
• Imposibilidad de usar WDM por su complejidad y, por lo tanto, la adopción de óptica paralela Las aplicaciones Base-DR permiten 100G, 200G y400Gbps hasta 500m, usando de 2 a 8 fibras. Esta es la primera vez que se utiliza la óptica paralela (más de 2 fibras) para monomodo. Y el resultado es precio extremadamente competitivo, muy cercano a las opciones multimodo, pero para distancias mayores.
EL MODO BREAKOUT
Si bien la óptica paralela condujo a la adopción del MPO en el cableado estructurado, el conector se usó también por otras razones: permitió la creación de troncales terminates, que luego podían conectarse en cassettes separando las fibras a conectores tradicionales LC de una fibra. Esto proporcionó una solución plug-and-play para señales dúplex, muy necesaria en centros de datos.
A continuación, se muestra el diagrama de una conexión dúplex tradicional que utiliza conectores LC en cassettes de empalme: precio extremadamente competitivo, muy cercano a las opciones multimodo, pero para distancias mayores.
A continuación, se muestra el diagrama de una aplicación de óptica paralela conectada a través de troncales y cordones MPO:
Y usando la tecnología MPO con cassettes condujo al siguiente diagrama de troncales MPO con cassettes para aplicaciones dúplex con conectores LC:
Pero entonces, ¿por qué no usar esta tecnología de cassette para usar menos puertos en un switch?
Si tenemos 4 dispositivos, cada uno conectando a 25Gbps a través de una conexión LC dúplex, ¿por qué no usar un cassette para cambiar a un conector MPO y conectarse a un puerto 100G en un switch usando 8 fibras? Este es el modo breakout. Está representado en el siguiente diagrama
Tiene los siguientes beneficios:
• Se necesitan menos puertos en el switch
• Posibilidad de usar menos switches en una arquitectura reemplazando los switches de borde con cassettes pasivos.
El modo breakout está disponible con la mayoría de aplicaciones usando el conector MPO y todas las aplicaciones nuevas de este tipo están diseñadas para el modo breakout. Por ejemplo, 400GBase-DR4 se divide en 4x 100GBase-DR.
ENTONCES, ¿QUÉ SIGUE?
Los próximos pasos lógicos en tasas de transmisión de datos son 100Gbps en enlaces dúplex, multimodo y monomodo y el uso de este rendimiento para crear 400Gbps a 1.6Tbps usando óptica paralela o WDM.
El IEEE está trabajando actualmente en lo siguiente:
• 100Gbps, 200Gbps, 400Gbps, 800Gbps en multimodo usando 2 a 16 fibras.
• 800Gbps en monomodo usando 1 a 16 fibras.
A continuación, se muestra un resumen de las aplicaciones actuales (en negro) y futuras (en rojo) en función del tipo y número de fibras:
Ya estamos viendo algunas tendencias que tendrán un impacto significativo en los productos de cableado estructurado necesarios en el futuro:
• Se están reduciendo los presupuestos ópticos para optimizar el costo de los equipos activos.
Esto impone presupuestos de pérdida de inserción más estrictos en los conectores de fibra y conduce a la necesidad de componentes con un mejor rendimiento.
• Las aplicaciones paralelas están basadas mayormente en 4 y 8 fibras, pero nunca en 12 o 24 para las que fue diseñado el MPO.
Esto impone fibras desperdiciadas o arneses complejos para usar todas las fibras.
• El conector MPO ha sido un gran éxito, pero tiene un rendimiento extremadamente limitado que no se puede mejorar debido al diseño de los componentes. No puede alcanzar la pérdida ultra baja de los conectores LC tradicionales y, por lo tanto, puede necesitar un sucesor.
• El modo breakout es cada vez más común gracias a los importantes ahorros que proporciona, esto tendrá implicaciones en los diseños.
• Los cassettes usados para breakout sufren doble penalización de pérdida de inserción ya que tienen 2 conectores: un MPO en la parte trasera y LC en la parte delantera. Esto tiene un impacto negativo significativo en el presupuesto del canal y es posible que se necesiten soluciones alternativas.
• Los conectores LC tienen un gran rendimiento y son extremadamente pequeños, pero no lo suficientemente pequeños. Debido a que siempre necesitamos una mayor densidad, necesitarán un sucesor.
Ya hay tres contendientes disponibles para reemplazar al LC:
• El CS, que permite mejoras de tamaño sobre el LC
• El SN es incluso más pequeño que el CS y permite su uso para el modo breakout
• El MDC, aún más pequeño y que también permite el breakout así como la simple inversión de polaridad en campo.
Y debido a que tanto SN como MDC permiten el modo breakout, esto significa que el MPO ya no es el único conector que brinda este servicio y ahora está listo para ser reemplazado con soluciones de mejor rendimiento. El ejemplo que se muestra divide un enlace troncal de 8 fibras en cuatro conectores MDC.
Esto proporciona una densidad muy alta con posibilidades de breakout y una conversión con una sola conexión en lugar de 2 con los cassettes.
Podemos esperar algunos cambios significativos en nuestros componentes y arquitecturas de fibra en un futuro cercano. Mantenga los ojos abiertos para no perderse de nada.
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