Что такое оптический трансивер?

Оптический трансивер (сокращение от английских слов transmitter-передатчик и receiver-приёмник) — это устройство, преобразующее электрические сигналы сетевого оборудования (коммутаторы, маршрутизаторы, транспондеры, медиаконвертеры, мультиплексоры и др.) в оптические для передачи по волоконно-оптическому кабелю и обратно.

 

Устройство оптического трансивера

Рисунок 1. Внутренняя схема оптического трансивера

1. 1. Узел TOSA (Transmitter Optical Sub-Assembly) — обеспечивающий функцию передатчика (Tx);
   2. Узел ROSA (Receiver Optical Sub-Assembly) — обеспечивающий функцию приемника (Rx);
   3. Оптический/е разъем/ы;
   4. Печатная плата (PCBA);
   5. Плата EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) трансивере — энергонезависимая память, которая хранит служебные данные, параметры конфигурации и прошивку модуля. Она позволяет трансиверу «запоминать» свои параметры даже при выключенном питании.
   6. Контактные дорожки;
   7. Металлический корпус;
   8. Механизм крепления.

      1+2. Узел BOSA (Bi-Directional Optical Sub-Assembly) — подсборка, объединяющая в одном узле TOSA и BOSA, используется при конструировании трансиверов типа BiDi.

 

Рисунок 2. Узлы BOSA в BiDi трансиверах

*WDM-фильтр (wavelength-division multiplexing — мультиплексирование с разделением по длине волны) — это оптическое устройство, предназначенное для разделения или объединения нескольких оптических сигналов с разными длинами волн, которые распространяются по одному оптическому волокну.

 

Порядок выбора трансивера

            В случаях, когда проектирование ЦОД начинается с подбора оборудования, необходимого для выполнения поставленных задач, оборудование определяет требования к форм-фактору трансивера, протоколу и скорости передачи информации, а расстояние между сетевым оборудованием на выбор среды, и, соответственно, тип трансивера. (от оборудования к среде). Оборудование → форм-фактор, протокол, скорость → расстояние → среда → тип трансивера.

            В ином случае, когда проектирование ЦОД начинается с определения сред для передачи информации, сначала подбирается подходящий тип трансивера для передачи на необходимое расстояние, а потом, исходя из совестимых с типом трансивера форм-факторов, протоколов и скоростей оборудование, способное подключить все трансиверы в системе. (от среды к оборудованию). Расстояние → среда → тип трансивера → совместимые форм-факторы, протоколы, скорости → оборудование.

 

От форм-фактор оптического трансивера зависит его физическая совместимость с оборудованием, скорость передачи и энергопотребление. Узнать какие форм-факторы поддерживает оборудование можно в технической документации устройства или непосредственно в консоли управления оборудования.

 

При выборе оптического трансивера необходимо учитывать не только форм-фактор, но и требуемый протокол и скорость передачи данных. Трансивер может подойти физически, но не работать на нужной скорости или с нужным протоколом. Также, для исправной работы важно, чтобы скорость оптического модуля совпадала или была совместима со скоростью порта. Протоколы Ethernet, Fibre Channel, SONET/SDH, CPRI и OTN используют разные способы передачи данных и не совместимы друг с другом.

Ниже приведены таблицы, позволяющие соотнести форм-фактор со скоростью передачи и протоколом (Таблица 1), а также скоростью передачи и форм-фактором (Таблица 2).

Таблица 1. Протокол - Скорость

Таблица 2.

* WDM (Wavelength Division Multiplexing) — основная технология мультиплексирования, основанная на разделении светового потока на разные длины волн. Ее ключевая задача — увеличение объема передаваемой информации.

* CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) — упрощенный вариант WDM с увеличенным шагом между длинами волн. Эта технология применяется в сетях с относительно небольшими расстояниями и стабильно работает на дистанции до 80 км. Максимальное количество каналов — 18, с диапазоном длин волн от 1270 до 1610 нм.

* DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) — усовершенствованный вариант WDM с высокой плотностью каналов. Она поддерживает до 96 каналов на одной оптической линии, используя узкие интервалы между длинами волн (от 0,4 до 0,8 нм). Благодаря этому DWDM позволяет передавать больше данных и сохраняет качество связи на расстояниях до 6000 км, но требует использования усилителей.

* CWDM-4 — это четырёхканальный мультиплексор на основе технологии CWDM.

* BiDi (Bi-Directional) — особый вид оптического трансивера, который обеспечивает передачу и прием данных по одному волокну, используя разные длины волн света.

 

Среда передачи является фактором, от которого во многом зависит форм-фактор модуля, его скорость и технология передачи. Выделяют две среды передачи: оптоволоконная (одномодовые и многомодовые оптические волокна) и электрическая (витую пару и твинкоаксиальный кабель).

 

Оптоволоконная среда

Оптическое волокно — среда для передачи световых сигналов. Представляет собой тонкий стеклянный провод, состоящий из внутренней сердцевины (ядра), по которой распространяется свет, и окружающей ее оболочки. Благодаря эффекту полного внутреннего отражения, свет, проходящий через сердцевину к оболочке, полностью отражается от границы двух этих сред и перемещается по волокну.

Рисунок 3. Типы оптического волокна

Оптические волокна можно разделить на два типа:

Многомодовое — волокно с большим диаметром сердцевины, по которому может распространяться несколько световых мод. Многомодового волокно (OM1, OM2, OM3, OM4, OM5) является достаточно распространённым решением для организации локальных подключений. Максимально возможная дальность передачи до 2км, на скорости 1.25Гбит/с до 300м, на скоростях 10Гбит/с и 40Гбит/с и до 150м на скоростях передачи 100Гбит/с и выше. На основе многомодового волокна построены трансиверы типа AOC, а также системы уплотнения SWDM (Short Wavelength Division Multiplexing).

Одномодовое — волокно с малым диаметром сердцевины, по которому может распространяться только одна световая мода. Одономодовое волокно (G.652, G.657) наиболее распространённый тип используемого кабеля. Оно позволяет передавать данные в диапазоне длин волн 1260-1610нм, максимальное возможное расстояние до 160км, без использования усилителей и регенераторов, а также строить протяженные системы уплотнения DWDM.

 

Электрическая среда

Электрическая среда передачи – это кабель, в котором для передачи информации используется металлический проводник/проводники, на который подается электрический ток.

Электрические кабели можно поделить на два вида:

Витая пара — кабель на медной основе, объединяющий в оболочке одну или более пар проводников. Каждая пара представляет собой два перевитых вокруг друг друга изолированных медных провода. Подключается по разъему RJ45. Дальность передачи при этом может достигать 100м на скорости 1.25Гбит/с, либо до 30м со скоростью 10Гбит/с.

Твинаксиальный (от англ. twin-axial) кабель — это коаксиальный кабель с двумя параллельными проводниками, заключенные в общий экран.

 

По дальности передаваемого сигнала оптические трансиверы разделяют на следующие типы:

SR (Short Range) — до 300 м на многомодовом волокне и длиной волны 850 нм. Подобные трансиверы используются для локальных соединений в пределах здания.

LRM (Long Range Multimode) — до 220 м на многомодовом волокне и длиной волны 1 310 нм.

LR (Long Range) — до 10 км. Одномодовое волокно на длине волны 1 310 нм. Такие трансиверы служат для соединений между зданиями или в пределах города.

ER (Extended Range) — до 40 км. Одномодовое волокно на длине волны 1 550 нм. Эти трансиверы используются в сетях, где требуется преодолевать значительные расстояния — например, между городами или в крупных корпоративных сетях.

ZR (Extra Extended Range) — до 80-160 км. Одномодовое волокно на длине волны 1 550 нм. Эти трансиверы самые мощные, а потому используются для магистральных сетей и связи между удаленными объектами.

 

Для коммутаций в рамках одной стойки или одного зала (до 7 метров) возможно использование кабеля DAC (Direct Attach Copper) с медным сердечником.

При передаче данных на дальние расстояния происходит затухание сигнала и появляются нелинейные искажения, вызванные хроматической дисперсией в оптическом волокне (расширение импульсов во времени). Первая проблема решается путем использования трансиверов с более мощными передатчиками (тип лазера) и чувствительными приемниками (тип фотодиода), а также установкой оптических усилителей или 3R-регенераторов. Для решения второй проблемы, связанной с нелинейным искажением сигнала, необходимо использовать компенсаторы дисперсии или волокно с пониженным показателем дисперсии, или технологию когерентной передачи, которая не подвержена дисперсии.

При превышении порогового значения мощности оптического сигнала возникает вероятность появления ошибок или выхода из строя фотодиода, и, как следствие, всего трансивера. В данном случае необходимо использовать оптические аттенюаторы.

 

Другие особенности

Несмотря на то, что разъемы для одномодовых и многомодовых кабелей одинаковые, использовать непредназначенные для данного типа волокна трансиверы крайне нежелательно, так как сигнал либо будет сильно затухать, либо полностью отсутствовать.

Трансиверы могут отличаются друг от друга и типом разъема (наиболее распространенные – SC, LC, CS, MPO, RJ45). Для каждого трансивера требуется свой тип коннектора оптического патчкорда.

Рисунок 4. Типы коннекторов

Также, на качество сигнала влияет и обработка торцов коннекторов. При стыковке двух отрезков волокна неизбежно возникают потери из-за воздушной прослойки между ними, а также эффекта самоотражения сигнала обратно. Чтобы минимизировать эти негативные явления, концы волокон шлифуют специальным образом. Существует несколько основных технологий полировки (PC, UPC, APC и SPC), которые обеспечивают плотное соприкосновение волокон и снижают потери сигнала.

Рисунок 5. Типы торцов

Трансиверы выпускаются в двух основных исполнениях:

Commercial (0..70°C) — для офисных ЦОД с климат-контролем.

Industrial (-40..85°C) — для уличных шкафов, неотапливаемых помещений, промышленных объектов.

 

Цифровой мониторинг (DDM/DOM) - DDM (Digital Diagnostics Monitoring) или DOM (Digital Optical Monitoring) позволяет в реальном времени отслеживать:

- температуру трансивера,

- напряжение питания,

- ток смещения лазера,

- мощность передатчика (Tx Power),

- мощность принимаемого сигнала (Rx Power).

Функция помогает обнаружить деградацию лазера, засорение разъёмов или проблемы на линии до того, как связь прервётся. Поддержка DDM указывается в спецификации трансивера.

 

Оптический бюджет и перегрузка приёмника

При выборе трансивера недостаточно ориентироваться только на заявленную дальность. Эти цифры получены в идеальных условиях: новое волокно, минимальное число сварных соединений и коннекторов, отсутствие загрязнений. В реальной линии сигнал всегда ослабевает. Кроме того, слишком мощный сигнал на короткой линии может повредить фотоприёмник.

 

Недостаток мощности

Оптический бюджет — это разница между минимальной мощностью передатчика (Tx) и минимальной чувствительностью приёмника (Rx), выраженная в децибелах (дБ).

Оптический бюджет (дБ) = P_Tx_min – P_Rx_min

P_Tx_min — минимальная мощность лазера/передатчика (Tx), дБм;

P_Rx_min — минимальная чувствительность приёмника (Rx), дБм.

Бюджет показывает, какое максимальное затухание может быть в линии, чтобы сигнал был уверенно распознан.

 

Затухание складывается из суммарных потерь в линии:

- погонного затухания волокна (0,35 дБ/км на 1310 нм, 0,25 дБ/км на 1550 нм);

- потерь на сварках (0,1–0,3 дБ на стык);

- потерь на коннекторах (0,3–0,5 дБ на соединение);

- запас на старение, ремонт и неучтенные факторы (обычно 2–3 дБ).

 

            A_Σ = α · L + n_св · a_св + n_кон · a_кон + A_запас, дБ

где:
α – погонное затухание волокна, дБ/км;
L - длина линии, км;

a_св - потери на одной сварке, дБ;
n_св - количество сварных соединений;

a_кон - потери на одном коннекторе, дБ;
n_кон - количество разъёмных (коннекторных) соединений;
A_запас - запас на старение, ремонт и неучтённые факторы, дБ.

 

Условие работоспособности линии:

A_Σ ≤ Оптический бюджет

 

Избыток мощности (перегрузка приёмника)

Обратная проблема возникает, когда трансивер рассчитан на дальнюю связь (ER, ZR), а используется на короткой линии (например, 5 м внутри стойки). Мощность сигнала на входе приёмника может оказаться выше максимально допустимой.

Последствия:

- насыщение фотодиода, искажение сигнала, битовые ошибки;

- выход фотодиода из строя (лавинный пробой);

- нестабильная работа или полный отказ трансивера.

 

Аттенюатор — пассивное устройство, которое ослабляет оптический сигнал на фиксированную величину. Устанавливается между трансивером и патч-кордом.

 

Как рассчитать необходимую аттенюацию?

1. Узнайте из даташита:

   - максимальную выходную мощность передатчика (P_Tx_max);

   - максимальную входную мощность приёмника (P_Rx_max).

2. Оцените минимальное затухание линии (без учёта запаса).

3. Рассчитайте аттенюацию: A = P_Tx_max – P_Rx_max + запас (1–2 дБ) – затухание линии.

Если значение положительное — аттенюатор нужен. Рекомендуется ставить регулируемый аттенюатор или набор фиксированных, чтобы подобрать оптимальное ослабление.