3.1. Активное оптическое оборудование

/ Оптика

Оптические передатчики

Часто у сотрудников, не сталкивавшихся раньше с оптическим волокном, возникают вопросы, как и какое оборудование необходимо для организации соединения. Немного почитав, становится понятно, что нужен оптический трансивер. В этой статье – основные характеристики оптических модулей для приема/передачи информации, основные моменты, связанные с их использованием.

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ) предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Требования к источникам излучения, применяемым в ВОЛС:

  • Излучение должно вестись на длине волны, соответствующей одному из окон прозрачности: 850, 1300, 1550 нм
  • Необходимая частота модуляции для обеспечения требуемой длины волны
  • Необходимая мощность для передачи на дальние расстояния

В настоящее время используется два основных источника излучения: светодиод (LED) и полупроводниковый лазерный диод (LD). Светоизлучающие диоды имеют широкий спектр излучения, в то время как лазерные диоды имеют значительно более узкий спектр.

Светодиоды могут излучать свет с длинной волны 850 нм и 1300 нм. Излучатели с длиной волны 850 нм существенно дешевле, чем излучатели с длиной волны 1300 нм. Лазерные излучатели работают на длинах волн 1300 нм и 1500 нм. Быстродействие современных лазеров позволяет модулировать световой поток с частотами 10 ГГц и выше.

 

 

Оптические приёмники

Назначение оптических приёмников. Модулированный оптический сигнал от передающих устройств поступает по одномодовому оптическому кабелю на вход оптического приёмника, где он демодулируется в фотодетекторе. Фотоприемное устройство (фотодетектор) предназначено для преобразования оптических сигналов в электри­ческие. Оно должно обладать высокой чувствительностью в рабочем диапазоне волн, низким уровнем шума и др. Чувствительность фотоприемного устройства должна быть достаточ­ной для обеспечения требуемой длины регенерационного участка опти­ческой системы передачи. Кроме этого, фотоприемное устройство дол­жно поддерживать отношение сигнал-шум на выходе не менее заданного значения в пределах допустимых изменений температуры и в требуемом динамическом диапазоне принимаемых сигналов.

На фото ниже – оптический приёмник, который принимает оптический сигнал от станции кабельного вещания ТВ и преобразует в радиочастотный телевизионный сигнал.

Оптический модуль

Сегодня практически любое сетевое оборудование для передачи данных в сетях Ethernet, предоставляющее возможность подключения через оптическое волокно, имеет оптические порты. В них устанавливаются оптические модули, в которые уже может подключаться волокно. В каждый модуль встроен оптический передатчик (лазер) и приемник (фотоприемник). При классической передаче данных с их использованием предполагается использовать два оптических волокна — одно для приема, другое для передачи. На изображении снизу представлен коммутатор с оптическими портами (1 и 2) и установленным в первый порт модулем.

Разъем – это то место, куда вы будете подключать оптический патчкорд. На оптических модулях сейчас используются преимущественно два типа разъемов — SC и LC. На языке “технарей” — “большой” и “мелкий квадраты”. Понятно, что имея в наличии патчкорд с разъемом SC, вы не подсоедините его к разъему LC. Нужно либо менять патчкорд, либо ставить переходник-адаптер. В большинстве случаев SFP-модули имеют разъем LC, в то время как X2/XENPAK — SC.

Виды оптических модулей

Оптические модули различаются:

  • формфактором (GBIC, SFP, X2…)
  • типом технологии («прямые», CWDM, WDM, DWDM…)
  • мощностью (в децибелах)
  • разъемами (FC, LC, SC)

формфактором (GBIC, SFP, X2…), типом технологии («прямые», CWDM, WDM, DWDM…), мощностью (в децибелах), разъемами (FC, LC, SC).

Различные формфакторы

В первую очередь модули различаются своими формфакторами.

SFP

Small Form-factor Pluggable, наследник GBIC (об этом формфакторе – ниже). Самый распространенный на сегодняшний день формат, гораздо удобнее в силу меньших размеров. Такой формфактор позволил значительно увеличить плотность портов на сетевом оборудовании. Благодаря таким размерам стало возможно реализовать до 52 оптических портов на одной железке в один юнит. Используется для передачи данных на скоростях 100Mbits, 1000Mbits. На изображении снизу коммутатор с оптическими портами и пара модулей 1000Base-LX (для подключения оптики) и 1000Base-T (для витой пары, медь).

SFP+

Enhanced Small Form-factor Pluggable. Имеют идентичный SFP размер. Схожий размер позволил сделать оборудование с портами, поддерживающими обычные SFP и SFP+. Такие порты могут работать в режимах 1000Base/10GBase. Лишь дальнобойные CWDM-модули имеют большую длину из-за радиатора. Используются для передачи данных на скоростях 10 Gbits. Малые размеры придали некоторые особенности — для дальнобойных модулей бывают случаи слишком сильного нагрева. Поэтому для передачи более чем на 80 км таких модулей пока нет. На картинке снизу два модуля SFP+ — CWDM и обычный 10GEBase-LR:

XFP

10 Gigabit Small Form Factor Pluggable. Также, как и SFP+, используются для передачи данных на скоростях 10 Gbits. Но в отличии от предыдущих, немного шире. Увеличенный размер позволил использовать их для прострела на большие расстояние по стравнению с SFP+. Снизу дополнительная плата для Huawei с установленными XFP и пара таких модулей.

XENPAK

Модули, используемые преимущественно в оборудовании Cisco. Используются для передачи данных на скоростях 10 Gbits. Сейчас уже изредка можно найти им применение, изредка можно встретить в старых линейках маршрутизаторов. Также такие модули бывают для подключения медного провода 10GBase-CX4.

 

X2

Дальнейшее развитие модулей формата XENPAK. Часто в разъемы X2 можно установить модуль TwinGig, в который уже можно установить два модуля SFP… Это нужно в случае, если на оборудовании нет 1GE оптических портов. В основном X2-формфактор использует Cisco. В продаже существуют адаптеры X2-SFP+ (XENPACK-to-SFP+). Интересно, что такой комплект (адаптер+SFP+ модуль) выходит дешевле одного X2 модуля.
К сожалению, на руках у меня нашелся только адаптер, но чтобы понять, как выглядят эти модули и какого они размера этого вполне хватит. На рисунке снизу адаптер X2-SFP+ со вставленным SFP+ модулем.

GBIC

GigaBit Interface Converter, активно использовался в 2000-х. Самый первый промышленно стандартизованный формат модулей. Очень часто применялся при передачи через многомодовые волокна. Сейчас же практически не используется в силу своих размеров. На изображении снизу два GBIC-модуля 1000Base-LX и 1000Base-T:

Существуют относительно новые формфакторы (QSFP, QSFP+, CFP). На текущий момент они еще не очень распространены.

Различные стандарты

Как известно, комитетом 802.3 принято множество разных стандартов Ethernet. Соответственно, оптические модули поддерживают один из них. В основном сейчас распространены следующие типы:

  • 100Base-LX — 100 мегабит по волокну на 10км
  • 100Base-T — 100 мегабит по меди на 100 м
  • 1000Base-LX — 1000 мегабит по волокну на 10 км
  • 1000Base-T — 1000 мегабит по меди на 100 м
  • 1000Base-ZX — 1000 мегабит по одномодовому волокну на 70 км
  • 10GBase-LR — 10GE по одномодовому волокну на 10 км
  • 10GBase-ER — 10GE по одномодовому волокну на 40 км

Конечно же, оптические модули есть и под другие стандарты, в том числе и 40GE и 100GE. Здесь перечислены основные типы, используемые в провайдерских сетях. Обычно в названии или спецификации написано, по какому стандарту будет работать тот или иной модуль. Но еще важно посмотреть, поддерживает ли этот стандарт порт оборудования, куда будет установлен модуль. Например, 100Base-LX не будет работать в порту коммутатора, поддерживающего только 1000Base-LX. Эту особенность тоже надо учитывать.

Оптические модули с использованием спектрального уплотнения

Описанные выше оптические модули передают сигнал в основном на длине волны 1310 нм или 1550 нм на двух волокнах (одно для передачи, другое для приема). Они имеют широкополосный фотоприемник (принимают все) и лазер, излучающий на определенной длине волны (грубо конечно). Но имеется возможность использовать уплотнение по длине волны. Это дает возможность использовать меньшее количество волокон для организации нескольких каналов тем самым увеличивая пропускную способность одного волокна.

WDM

WDM модули работают в паре, с одной стороны сигнал передается на длине волны 1310 нм, с другой 1550 нм. Это позволяет вместо двух волокон для организации одного канала использовать одно. Приемник на таких модулях так и остается широкополосным. Бывают как для 1GE, так и для 10GE. Снизу фотографии пары WDM-модулей с различными разъемами для подключения патчкордов LC и SC.

Ещё пример – пара модулей Mikrotik.

Из маркировки видно, что у них отличаются длины волн на приём RX и передаче TX чтобы работать в паре.

TX: 1490 nm RX: 1550 nm
TX: 1550 nm RX: 1490 nm

SFP_Mikrotik

В большинстве случаев предпочтительнее использовать WDM-модули для малых расстояний. Их цена не очень большая (по 1 тыс рублей за модуль против 500 рублей за обычный). Причина — вы экономите целое волокно, на нем можно будет потом еще один такой же канал прогнать. Хотя конечно есть и другие способы экономии волокон.

 

CWDM

Дальнейшее продолжение технологии WDM. С ее использованием можно добиться до 8 дуплексных каналов по одному волокну. Для этих целей используются CWDM-мультиплексоры (пассивные устройства с призмой внутри, позволяющей делить сигнал по цветам с шагом 20 нм в диапазоне от 1270 нм до 1610 нм). Для этого также используют специальные CWDM-модули, в простонародье их называют «цветные», они передают сигнал на определенной длине волны. В то же время приемник на них широкополосный. Кроме того, такие оптические модули часто делают для передачи на большие расстояние (до 160 км). На рисунке ниже представлен малый комплект CWDM-SFP, на котором с использованием мультиплексоров можно поднять 2GE на одном волокне.

Как можно заметить, дужки у всех разные. В зависимости от длины волны модуль имеет свою раскраску. К сожалению, у всех производителей они разные.

Некоторые особенности оптических модулей

 

Современные оптические модули имеют функцию DDM (Digital Diagnostics Monitoring) — в них встроен ряд сенсоров, через которые можно определить текущее значение некоторых параметров. Смотрится это через интерфейс оборудования, в которое установлен модуль. Самые важные параметры для нас — текущие принимаемая мощность и температура.

Ряд производителей сетевого оборудования запрещают использовать сторонние модули в их оборудовании. По крайней мере раньше Cisco не давала их запускать, они в ней просто не работали. Сейчас же в узких кругах известны команды, открывающие возможность использовать сторонние устройства, да и Cisco стала не так трепетно относиться к этому вопросу. Впрочем, при желании любые модули можно перепрошить, в продаже имеются специальные программаторы.

Порт на оборудовании (в большинстве случаев) загорается, если на модуль приходит сигнал достаточной мощности. Если соединить два двухволоконных модуля одинарным патчкордом (просто прием с передачей), с одной стороны порт загорится, но работать при этом ничего не будет.

Да, мощность может быть не только слабой. Если сигнал приходит слишком сильный, можно сжечь фотоприемник. Обычно это относится к дальнобойными мощным модулям с дистанцией > 80 км. Для уменьшения мощности используют специальные аттенюаторы. Хотя если делаем в лабораторных условиях, можно просто намотать пару витков патчкорда на какую-нибудь ручку или карандаш.

Медиаконвертор

Медиаконвертер – устройство, позволяющее передавать данные из одной среды в другую. Такой механизм позволяет связать между собой удаленные объекты на базе оптоволоконных соединений. Самый распространённый вариант – для перехода с “меди” на “оптику”.

Оптические усилители

Эти устройства обеспечивают внутреннее усиление оптического сигнала без его преобразования в электрическую форму. Они используют принцип индуцированного излучения, аналогично лазерам. Существует более пяти типов оптических усилителей.

У нас используются Рамановские усилители (Raman amplifiers) на большие расстояния, для того чтобы не использовать регенерационные участки.

Техника безопасности при работе с активным оптическим оборудованием

Оптические модули — активное оборудование, они потребляют электроэнергию и выделяют тепло. Это следует учитывать при подключении оборудования к электросети. Также коммутатор, заполненный мощными модулями под завязку может потребовать дополнительного охлаждения.

  • Если в здании, где вы работаете, установлено активное сетевое оборудование, удостоверьтесь что, подлежащее тестированию оптоволокно отсоединено от него.
  • Обеспечьте надежную связь между работниками, тестирующими оптоволокно – это необходимо для координации действий и обеспечения должной безопасности.

Не стоит забывать, что в оптические модули встроены лазеры, и с ними необходимо соблюдать некоторую технику безопасности. Конечно в большинстве случаев никакой угрозы они не предоставляют в силу слабой мощности, но бывали случаи, дальнобойные мощные 10GE модули могут вполне выжечь сетчатку глаза или оставить ожог, если использовать палец в качестве аттенюатора. У нас используются Рамановские усилители (Raman amplifiers) – об этом предупреждает знак на оптическом кроссе. Мощность – 1 Вт, очень серьёзная цифра для лазера. При попадании на сетчатку – травма обеспечена, на бумагу и подобный материал – возгорание.

– Для защиты глаз используйте специальные защитные очки с покрытием, блокирующим проходящее по оптоволокну излучение светодиодов и лазеров, которые используются в оптических трансиверах. Лазеры класса 1 не могут повредить глаза, поскольку обладают невысокой мощностью, однако лазеры более высоких класов уже достаточно опасны для глаз.

 

В заключение

Важно не забывать основные характеристики:

  1. формфактор
  2. стандарт (скорость)
  3. спектральное уплотнение и мощность
  4. разъемы

Если тема кого-то заинтересовала, посоветую посмотреть следующее:

  1. Хорошая статья на наге о внутренностях модулей
  2. Статья на наге о физике процесса
  3. Там же о текущих ценах
  4. Неплохо о спектральном уплотнении
  5. Основные параметры и сертификация оптических SFP модулей

Статья взята с habrahabr.ru, внесены изменения, дополнения.