Основні параметри та сертифікація оптичних SFP модулів

Знання деяких принципів легко компенсує незнання деяких фактів.
Гельвецій
 

Оптичні трансивери

Нині застосування оптичних технологій при побудові телекомунікаційних мереж стало практично повсюдним. Кожен, хто мав справу з оптичним комутаційним або передавальним устаткуванням, стикався з роботою оптичних приймально-передавальних пристроїв — трансиверів (англ. transceiver = transmitter + receiver).
 
Трансивери призначені для перетворення електричних сигналів в оптичні для подальшої передачі по волоконно-оптичної лінії і подальшого оптоелектронного перетворення на прийомі. На початковому етапі розвитку волоконної оптики приймально-передавачі монтувалися на друкованих платах активного обладнання. Згодом з ростом номенклатури таких пристроїв (комутаторів, маршрутизаторів, мультиплексорів, медіаконверторів) з'явилася необхідність поділу частин, що відповідають за обробку інформації і за її передачу (по суті — сполучення з оптичною лінією).
 
В останні 10-15 років оптичні трансивери є компактними змінні модулі, розраховані на різні параметри ліній передачі і встановлювані в стандартизовані електричні порти активного обладнання. Це дозволяє оптимізувати витрати при проектуванні, і особливо — реконструкції оптичних мереж. Наприклад, можливе збільшення швидкості, дальності передачі, збільшення обсягу переданої інформації за рахунок застосування систем спектрального мультиплексування (WDM, CWDM, DWDM). Або, припустимо, використовувати в одному комутаторі різні типи трансиверів для разноудаленних абонентів.
 
Зараз найбільш популярним стандартом змінних оптичних трансиверів стали SFP модулі (англ. Small Form-factor Pluggable). Вони являють собою малогабаритні конструкції в металевому корпусі (для механічного захисту та електромагнітного екранування) з виходами для підключення до слотів активного обладнання. Також в модулі є два оптичних порту: випромінювача (Tx) і фотоприймача (Rx) для роботи в двухволоконний режимі. У одноволоконних SFP є тільки один оптичний порт, а напрям передачі і прийому розділяється всередині модуля за допомогою вбудованого WDM-мультиплексора (BOSA, Bidirectional Optical Sub-Assemblies). У такому випадку трансивери працюють в парі на двох довжинах хвиль.
 
На платі модуля крім, власне, випромінювача і фотодетектора знаходяться схеми забезпечення струму накачування випромінювача, перетворення в лінійний код, зміщення на фотодетектор, термостабілізації і т. д.
 
 Ð¡Ñ‚руктурная схема сменного оптического трансивера
 Рис.1. Структурна схема змінного оптичного трансивера
 
 
     
TIA — трансімпедансним підсилювач;
 LimA — обмежує підсилювач;
 DDM — модуль цифрової діагностики;
 EEPROM — ПЗУ з параметрами модуля;
 О / Е — опто-електронний перетворювач;
 Е / О — електронно-оптичний перетворювач.
 
Всі модулі підтримують режим «гарячої заміни» (HotSwap) в процесі роботи. У більшості сучасних конструкцій реалізована функція цифрового моніторингу DDM (Digital Diagnostics Monitoring), яка дозволяє контролювати з зовнішнього терміналу внутрішню температуру, напруга джерела живлення, струм зміщення лазера, вихідну потужність лазера і рівень прийнятого оптичного сигналу.
 
Геометричні розміри, механічні параметри, електроживлення, параметри електричних інтерфейсів та інші дані модулів прописані в специфікації MSA SFF-8704i.
 
Що стосується параметрів оптичного інтерфейсу, то вони в досить узагальненому вигляді описані в стандартах по мережах Ethernet: 802.3u (100BASE-X), 802.3ae (1000BASE-X), 802.3ae (10GBASE-X) та інші.
 
 image
 
 Таб.1. Стандарти оптичних інтерфейсів Ethernet
 
* Інтерфейс не стандартизований, але активно застосовується на ринку.
** За деякими джерелами — до 100 км
 
Стандарт SFP передбачає передачу інформації зі швидкістю 1Гбіт / с з можливістю передачі 100 Мбіт / с або тільки 100 Мбіт / с. Для передачі більш високошвидкісних потоків в подальшому були розроблені SFP + (10 Гбіт / с), XFP (10 Гбіт / с), QSFP + (40 Гбіт / с), CFP (100 Гбіт / с). Однак при більш високих швидкостях проводиться обробка сигналів на більш високих частотах. Це вимагає більшого тепловідведення і, відповідно, великих габаритів. Тому, власне, форм-фактор SFP зберігся ще тільки в модулях SFP +.
 
У даній статті ми будемо говорити тільки про параметри найбільш популярних зараз модулів SFP, SFP + і XFP, так як моделі трансиверів на швидкості більше 10 Гбіт / с — це окремий і досить цікаве питання.
 
Тут же ми, не претендуючи на повноту матеріалу і не приводячи математичних викладок, розглянемо, в першу чергу, систему параметрів оптичних інтерфейсів приймально-передавальних модулів. Розуміння суті параметрів дозволить правильно спроектувати сегменти оптичних мереж: вибрати оптимальні параметри випромінювача і фотоприймача при мінімальних витратах.
 
 

Параметри оптичного випромінювача

 Тип випромінювача (Transmitter type).
Як правило, в якості випромінювачів використовуються лазерні діоди, тип яких залежить від типу волокна, а також необхідної потужності і вузькосмугового. Лазери Фабрі-Перо (FP) відрізняються середньою потужністю, широким спектром випромінювання і відносно невисокою вартістю (Мал. 2). Вони використовуються з одномодовими (на довжині хвилі 1310 нм, рідше — 1550 нм) і багатомодовими волокнами (на довжинах хвиль 850 нм і 1300 нм) при довжинах ліній від декількох сотень метрів до декількох кілометрів і швидкостях передачі 100 Мбіт / с і 1 Гбіт / с. Вертикально-випромінюючі лазери (VCSEL) були розроблені для локальних оптичних мереж. Вони відрізняються невисокою вартістю, вузьким спектром і працюють, як правило, з багатомодовими волокнами на довжині хвилі 850 нм при передачі потоків 1 Гбіт / с і 10 Гбіт / с на відстані в кілька сот метрів. Динамічні одномодові лазери з розподіленою зворотним зв'язком (DFB) відрізняються вузьким спектром при середньої та великої потужності. Технологія виробництва з придушенням бічних мод випромінювання визначає вартість більшу, ніж у двох попередніх типів лазерів. Призначені вони для роботи з одномодовими волокнами на довжинах хвиль 1310 нм і 1550 нм, при передачі інформації з швидкістю 1 Гбіт / с, 10 Гбіт / с і більше на відстані в десятки кілометрів (з підсилювачами — кілька сот кілометрів). Такі випромінювачі використовуються і в CWDM системах. Найскладніші та дорогі лазери з зовнішнім резонатором (EML) відрізняються виключно вузьким спектром. Це принципово важливо при передачі високошвидкісних потоків (10 Гбіт / с, 40 Гбіт / с, 100 Гбіт / с) на великі відстані, особливо на довжині хвилі 1550 нм, де у волокнах досить велика хроматична дисперсія. Вузькополосні лазери EML використовуються також в системах спектрального мультиплексування CWDM та DWDM. Слід зазначити, що далеко не завжди виробники вказують у специфікаціях тип випромінювача.
 
 Тип волокна (Fiber type).
Для передачі оптичних сигналів, як правило, використовують два основних типи волокон: багатомодове (ММ) і одномодовое (SМ). Відповідно випромінювач і фотодетектор оптичного трансивера повинні бути призначені для роботи з одним з цих двох типів волокон. Зазвичай це відбивається в їх маркуванні та технічної специфікації. Особливості типів волокон (наприклад, ОМ3, ОМ4 — для багатомодових або DS, NZFSF, BIF — для одномодових) враховуватися не повинні. Інша справа що коефіцієнт загасання, коефіцієнт хроматичної дисперсії, коефіцієнт широкополосности (тільки для ММ) та інші параметри застосовуваних типів волокон повинні обов'язково враховуватися при розрахунку бюджету потужності, сумарною дисперсії, довжини лінії і т.д.
 
 Кількість оптичних портів.
У двухолоконних оптичних трансиверах використовується два порти: оптичний випромінювач (Tx, Transmitter) і фотоприймач (Rx, Receiver). Такі модулі використовують для передачі в двох різних напрямках два волокна і одну робочу довжину хвилі. Останнім часом значно частіше застосовуються Одноволоконні трансивери з одним оптичним портом. Вони працюють, що називається «в парі»: передача в двох різних напрямках по одному волокну йде на двох робочих довжинах хвиль. Сигнали передачі і прийому поділяються всередині модуля за допомогою вбудованого WDM-мультиплексора.
 
 Тип оптичного роз'єму (Connector type).
Для підключення до оптичної лінії можуть використовуватися найрізноманітніші типи роз'ємів. Зараз у мережах Ethernet найбільш популярні малогабаритні роз'єми типу LC (в двухолоконних і одноволоконних модулях), а також SC (тільки в одноволоконних модулях).
 
 Ширина спектральної лінії (Max. Spectral Width).
Цей досить важливий параметр залежить від типу випромінювача. Чим більше ширина спектральної лінії, тим більше сумарна хроматична дисперсія в лінії (Total chromatic dispersion). Для систем зв'язку на багатомодових волокнах превалюючою є межмодовая дисперсія, тому там часто використовуються менш дорогі і більш широкосмугові випромінювачі типу FP або VCSEL. Оскільки вони мають лінійчатий спектр (Мал. 2), то для них нормується середньоквадратична ширина спектру (RMS), яка становить приблизно 3… 5 нм для FP і 0,5… 1 нм для VCSEL. Лазери DFB і EML має в спектрі один яскраво виражений пелюстка (одну поздовжню моду) і внутрішню структуру придушення інших (бічних) мод. Тому їх спектр визначається по центральному пелюстці на рівні -20 дБ. Для DFB він становить 0,1… 0,5 нм, а для EML — порядку 0,01… 0,08 нм.
 
 Коефіцієнт придушення бічних мод (Side Mode Suppression Ratio, SMSR).
Цей параметр стосується лише до лазерів DFB і EML. Він показує, на скільки дБ амплітуда першої бічної моди (пелюстки) менше амплітуди центральної поздовжньої моди (см.рисунок [Спектри випромінювачів]). Таким чином, дається чисельна характеристика якості вибірковості резонатора випромінювача. Зазвичай мінімальне значення SMSR нормується на рівні 30 дБ.
 
 Ð¢Ð¸Ð¿Ð¸Ñ‡Ð½Ñ‹Ðµ спектры лазерных излучателей различных типов
 
 Рис.2 Типові спектри лазерних випромінювачів різних типів
 
 Центральна довжина хвилі (Transmitter Central Wavelength).
Це — довжина хвилі, на якій передається найбільша потужність випромінювання. Для лазерів типу DFB і EML вона практично збігається з піковою довжиною хвилі. Зазвичай для передачі сигналів використовуються довжини хвиль локальних мінімумів загасання («вікон прозорості») в оптичних волокнах: 850 нм або 1310 нм — для багатомодових волокон; 1310 нм або 1550 нм — для одномодових. Для оптичних трансиверів CWDM, DWDM довжина хвилі відповідає сітці частот, зазначених у Рекомендаціях ITU-T G.694.2 і G.694.1 відповідно (див. таблицю 2).
 
 Ð”лины волн оптических трансиверов CWDM
 
 Таб. 2. Довжини хвиль оптичних трансиверів CWDM
 
 Максимальна і мінімальна потужність випромінювача (Max. / Min Average output power, Mean launched power).
Середній рівень потужності на виході випромінювача, тобто потужності, що вводиться у волокно. Середній — мається на увазі не рівень піковий. Як правило, в специфікаціях дається два значення: максимальний і мінімальний. Технологія виробництва оптичних випромінювачів (TOSA, Transmitter Optical Sub-Assemblies) має на увазі деякий розкид параметрів. Реальна вихідна потужність буде перебувати в межах між максимальним і мінімальним значенням. Але при розрахунку бюджету потужності в лінії слід враховувати саме мінімальне значення середньої потужності.
 
 Ð£Ñ€Ð¾Ð²Ð½Ð¸ мощности оптических сигналов при передаче их по линии
  
Рис.3. Рівні потужності оптичних сигналів при передачі їх по лінії
 
 Око-діаграма (Eye pattern).
Є графічним представленням цифрового сигналу, що дозволяє оцінити якість передачі. Вона являє собою результат накладення всіх імпульсів реальної послідовності на тактовом інтервалі. Перекриття імпульсів «1» і «0» і утворює, власне, «око» (Мал. 4). Його вертикальний розкривши визначається рівнями одиничним і нульовим, а горизонтальна розтягнутість — часом наростання (Rise Time) і спаду (Fall Time) імпульсів. Оскільки форма вихідних сигналів носить імовірнісний характер, результуючий око завжди трохи «розмитий». Для нормування око-діаграми передбачається спеціальний шаблон (Eye pattern mask), в який повинні вписуватися всі варіації.
 
Міжнародними стандартами (ITU-T G.957, IEEE 802.3) прописані формалізовані параметри типу X і Y, що визначають межі елементів шаблону. Принципово важливе збереження правильної форми сигналу на приймальній стороні. Однак, наявність перешкод при передачі сигналів по лінії призводить до скорочення області розкриву очі. Спотворення по амплітуді визначається результуючими спотвореннями внаслідок міжсимвольних переходів, накладення потужності перевідбиттів імпульсів, неідеальності характеристик підсилювачів і т.п. Зменшення розкриву виникають через дисперсійних спотворень, тремтіння фази (джитера) та інших факторів, що впливають на спотворення фронтів імпульсів. Амплітудні і тимчасові викривлення можуть також призвести до того, що на приймальному пристрої буде неоптимально обраний момент і рівень прийняття рішення про відповідність «1» або «0». Чисельно око-діаграма характеризується параметрами OMA і ER, які розглядаються далі.
  
 Ð“лаз-диаграмма выходного оптического сигнала
 
 Рис.4. Око-діаграма вихідного оптичного сигналу
 
 Амплітуда оптичного модульованого сигналу (Optical Modulation Amplitude, OMA) і Коефіцієнт гасіння імпульсу (Extinction Ratio, ER).
Обидва цих параметра характеризують величину розкриття «очі» в око-діаграмі. Різниця в тому, що OMA характеризує різницю рівнів оптичної потужності «1» і «0» в прив'язці до їх абсолютним значенням (в дБ або мВт), а ER характеризує ставлення цих рівнів один до одного (як безрозмірна величина або в дБ). Після проходження сигналом оптичної лінії передачі амплітуда сигналу зменшується, зменшується і OMA. А оскільки зменшуються рівні співвідношення і «1» і «0», то їх співвідношення ER практично не змінюється. Ці параметри важливі для оцінки коефіцієнта помилок на прийомі. З їх допомогою розраховується така характеристика, як погіршення якості сигналу на прийомі внаслідок зменшення потужності імпульсу (Power Penalty). Реальні мінімальні значення ER зазвичай складають 8,2… 10 дБ для трансиверів 100 Мбіт / с і 1 Гбіт / с.
 
Для великих швидкостей і невеликих відстаней специфицируются менші значення — 3,5… 5,5 дБ. Незважаючи на те, що більше значення ER передбачає кращі умови розпізнавання сигналів на прийомі, забезпечити на виході передавача велику різницю рівнів «1» і «0» буває досить складно технічно. Більш високий верхній рівень обмежений температурним режимом джерела випромінювання. А зниження рівня «0» ускладнить його розпізнавання на прийомі.
 
 image
 
 Рис.5. Рівні потужності і амплітуда вихідного оптичного сигналу
 
 Чутливість фотоприймача (Receiver Sensitivity).
Чутливість характеризує мінімальний рівень потужності, прийнятої фотодетектором, при якому ще забезпечується задане значення коефіцієнта помилок. Більш низький рівень чутливості, природно, дозволяє підвищити динамічний діапазон всієї системи (Мал. 3). Однак при малих детектіруемих потужностях можуть позначатися власні дробів та теплові шуми фотодетектора. Як правило, чутливість фотоприймача знаходиться в межах -15… -21 дБ для SFP, розрахованих на лінії довжиною в кілька кілометрів, -14… -28 дБ для ліній 20 — 40 км, -32… -35 дБ для ліній 80 — 160 км і -40… -45 дБ для ліній близько 200 км. Потрібно враховувати, що чутливість приймача залежить від швидкості передачі. Наприклад, для швидкості 10 Гбіт / с практично не зустрічається чутливість нижче -24 дБ. При низьких рівнях сигналу звичайно застосовують лавинні фотодіоди, які, однак, вносять досить великі шуми. Для збільшення чутливості потрібне збільшення чутливої ​​площадки фотодетектора. З іншого боку, це обмежує швидкодію фотодіода, так як збільшиться час розсмоктування зарядів, а також зростають затримки лавинного множення.
 
 Рівень перевантаження фотоприймача (Receiver overload).
Показує максимальний рівень потужності, який можна подавати на фотодетектор. Перевищення цього рівня призведе до нелінійного режиму роботи і різкого збільшення коефіцієнта помилок на прийомі, а при більшій потужності — до руйнування чутливої ​​площадки фотоприймача. Тобто відбувається елементарний пробій назад зміщеного фотодіода. Деякі виробники навіть поділяють ці два стани, специфікуючи «рівень спотворень» (receiver overload saturation) і «рівень руйнування» (receiver overload damage). У будь-якому випадку не варто експериментувати з перевантаженнями фотоприймача. На це особливо слід звертати увагу при складанні макета лінії «на столі». Якщо рівень перевантаження приймача за специфікацією вище допустимої мінімальної потужності передавача, категорично забороняється з'єднувати патчкордами безпосередньо випромінювач з фотодетектором. У цьому випадку обов'язково потрібно використовувати вставку — атенюатор з загасанням як мінімум на величину різниці двох параметрів. Зазвичай рівень перевантаження фотодетектора знаходиться в межах -3… +2 дБм. Однак для деяких модулів він може становити -8… -10 дБм. Саме по собі це значення нічого не говорить про якість приймача. Необхідності тільки дотримуватися обережності, щоб не спалити дорогий модуль.

Загальне вихідна тремтіння фази (Total Jitter).
Тремтіння фази (джіттер) оптичного передавача проявляється у зміщенні імпульсу на тактовом інтервалі або зсуві фронтів імпульсу. Як правило, причина джитера в неідеальності що задає і систем фазового автопідстроювання частоти. Згодом, на прийомі, це може призвести до зміщення моменту часу, в який відбувається прийняття рішення про рівень сигналу. Така розсинхронізація особливо неприємна для мереж і систем, що працюють у синхронному режимі. Мережі Ethernet менш чутливі до тремтіння фази на передачі. Загальний джіттер нормується або в одиницях часу (пс), або як частина тактового інтервалу (UI), на якому відбулося зміщення піку щодо іншого піку (pp). Типовим вимогою є 0,24 UI або 0,35 UI для Gigabit Ethernet і 0,21 UI для 10G Ethernet. Деякі виробники ще окремо специфікують тремтіння фази, викликане вмістом даних (Data Dependent Jitter, DDJ) та власний джіттер, не пов'язаний з передачею сигналів (Uncorrelated Jitter, UJ), але ці уточнення не настільки істотні.

Джиттер передаваемого сигнала

Рис.6. Джиттер переданого сигналу

Мінімальна відносна щільність потужності шуму (Relative Intensity Noise, RIN).
Параметр, що характеризує власні шуми випромінювача в заданій смузі частот. Вони виникають в результаті спонтанного випромінювання джерела і залежать від температурного режиму, співвідношення струму зміщення і порогового струму. Потужність шумів зменшується пропорційно квадрату середньої потужності випромінювання. Прийнятним значенням є — 120… 130 дБ / Гц. Чим більше дальність і швидкість передачі, тим меншу щільність шуму (тобто більшу абсолютне значення зі знаком мінус) бажано мати. Для довідки можна додати, що випромінювачі для передачі аналогових сигналів (наприклад, в мережах кабельного телебачення) мають на 20 — 30 дБ нижче.

Втрати на відбиття від приймача (Receiver Reflectance, Return Loss, RL).
Цей параметр показує, на скільки дБ сигнал, відбитий від порту приймача, нижче рівня сигналу, що подається на цей порт. Відповідно, чим більше загасає відбитий (не корисно) сигнал, тим краще. Тоді параметр стає більше за абсолютним значенням зі знаком мінус. Як правило, RL специфицируется на рівні -21… -28 дБ. Однак для інтерфейсів, розрахованих на невеликі довжини ліній (типу S), в роз'ємі з боку фотодетектора може знаходитися не приймальне волокно в ферула, а відкритий майданчик фотодетектора. Тоді втрати на відбиття нормуються на рівні -12… -14 дБ. Тобто, по суті, вказується величина відбитої потужності при Френелевскую відображенні на межі розділу скло / повітря. Це дозволяє здешевити оптичний SFP модуль при прийнятні параметри передачі. Аналогічний параметр іноді специфицируется і для порту передавача (Transmitter Reflectance), з приблизно такими ж значеннями в дБ. Однак вимірювати його складно, а враховувати в розрахунках немає необхідності, оскільки нас може цікавити тільки потужність випромінювача, реально що вводиться в волокно.

Динамічний діапазон (Attenuation range, AR, Optical link loss).
Показивет в дБ, які втрати потужності сигналу можна допустити без втрати якості переданої інформації, тобто без збільшення коефіцієнта помилок вище заданого. Динамічний діапазон не завжди вказується в специфікаціях виробників, але легко вираховується як різниця між мінімально допустимою потужністю оптичного випромінювача і чутливістю фотодетектора. Для невеликих швидкостей передачі та / або невеликий дисперсії в лінії саме динамічний діапазон трансиверів є ключовим параметром, що визначає максимальну дальність передачі або довжину регенераційної / підсилювальної ділянки. Наприклад, для трансиверів, що працюють на довжині хвилі 1550 нм, AR складає ~ 14 дБ для лінії 40 км, ~ 23… 24 дБ — для 80 км, ~ 28… 29 дБ — для 100 км, ~ 32… 34 дБ — для 120 км. Взагалі вибрати приблизний динамічний діапазон трансивера можна самостійно, помноживши середні втрати в лінії з урахуванням зварювань (~ 0,25 дБ / км для λ = 1550 нм і ~ 0,38 дБ / км для λ = 1310 нм) на довжину лінії і додавши в якості експлуатаційного запасу 2-3 дБ.

Допустима дисперсія (Dispersion Tolerance, DT).
Показує максимальне значення дисперсії, яке допускається на лінії передачі (або регенераційному ділянці), без істотного погіршення якості інформації. Погіршення відбувається внаслідок межсимвольной інтерференції (частковому накладення імпульсів сусідніх тактових інтервалів) при передачі цифрової послідовності сигналів. Це може призвести як до перехідних впливам між каналами, так і до шумів синхронізації на прийомі. Допустима дисперсія специфицируется для передачі по одномодовим волокнам. В принципі, в якості допустимої повинна враховуватися среднеквадратическая сума хроматичної та поляризаційної дисперсії. Але на практиці при швидкостях до 10 Гбіт / с і довжинах ліній до 100 км істотна тільки перша складова. По-перше, вона значно більше, особливо в діапазоні довжин хвилі 1550 нм. А по-друге, сумарна хроматична дисперсія зростає пропорційно довжині лінії, а поляризаційна — пропорційно квадратному кореню з довжини. Допустима дисперсія вказується в пс / нм. Якщо специфіковану значення розділити на коефіцієнт хроматичної дисперсії волокна в пс / (нм • км), то можна приблизно визначити допустиму довжину лінії передачі, обмежену дисперсійними спотвореннями. Цей параметр не завжди вказується в специфікаціях виробника, частіше — для однохвильові трансиверів, що працюють в діапазоні 1550 нм або трансиверів CWDM в діапазоні 1470 — 1610 нм. Звичайні значення DT складають 800 пс / нм (для ліній до 80 км), 1600 пс / нм — до 80 км, 2400 пс / нм — до 120 км. Для менших відстаней дисперсія зазвичай не нормується.

Погіршення якості передачі за рахунок дисперсії (Dispersion Penalty, DP).
Цей параметр характеризує погіршення співвідношення сигнал / шум на прийомі внаслідок впливу дисперсії на що проходить сигнал. Вплив полягає в зменшенні амплітуди сигналу і розтягуванні фронтів на сусідні тактові інтервали. Відповідно, погіршення буде більше, чим більше загальна дисперсія в лінії і менше інтервал. Чисельно DP визначається логарифмом величини обернено пропорційній добутку коефіцієнта хроматичної дисперсії, ширини спектральної лінії джерела, довжини лінії і лінійної швидкості передачі інформації в квадраті.

Зазвичай значення DP специфицируется для високошвидкісних інтерфейсів, розрахованих на довгі лінії передачі. Прийнятне значення параметра знаходиться в межах до 4 дБ. В іншому випадку потрібно робити більш точний розрахунок проекту з результуючим шумів і вживати якісь технічні заходи. Наприклад, використання оптичної або електронною компенсації хроматичної дисперсії.

Зависимость ухудшения качества передачи за счет дисперсии от длины линии при различной скорости передачи и ширине спектральной линии излучателя.

Рис. 7. Залежність погіршення якості передачі за рахунок дисперсії від довжини лінії при різній швидкості передачі і ширині спектральної лінії випромінювача.

Сертифікація оптичних трансиверів

Спочатку кілька слів про принципи проведення сертифікації. Досить поширена думка, що сертифікація — це контроль якості продукції. Насправді, сертифікація це процедура підтвердження певних параметрів виробу, вимогам певних стандартів. Не більше й не менше.
Сам сертифікат містить перелік стандартів, відповідність яким було підтверджено випробуваннями, документами, розрахунками. З іншого боку, якщо, наприклад, в деякій ланцюжку А-В-С у вас є сертифікат як доказ відповідності елемента «В» відповідним йому стандартам, то можна бути впевненим, що якщо використовуються стандартизовані стики «А-В» і «В- А », то весь ланцюжок буде працювати. А це вже важливо, наприклад, для сфери телекомунікацій, де зазвичай використовуються багатокомпонентні мережі і системи.

Ще одне важливе корисна якість сертифікації — це проведення лабораторних випробувань в акредитованій незалежної лабораторії. Навіть при дуже високому рівні виробництва і вашому повній довірі до виробника завжди корисно провести випробування «на стороні». Особливо якщо це дійсно випробування, а не відписка. По-перше, навіть «найбільш брендові бренди» були не раз помічені у невідповідності стандартам, хоча і не так часто, як «кустарі» різних мастей. А по-друге, поведінка випробувань часто дозволяє не тільки реально виміряти значення параметрів, а й проаналізувати їх запас (margin) по відношенню до меж (limit), передбачених стандартами. З цього запасу, почасти, можна судити про надійність пристрою або системи.

У цьому й полягала наша мета. Провести реальні випробування хорошими повіреними приладами, отримати результати за основними параметрами передачі оптичних трансиверів FoxGate і отримати сертифікат відповідності для надання його нашим замовникам.

Звичайно, SFP-модулі не належать до переліку обов'язкової сертифікації, оскільки не є побутовими пристроями або пристроями з підвищеною небезпекою функціонування. Тому проводилася добровільна сертифікація. Проте, для отримання сертифікату УкрСЕПРО з підтвердженням можливості використання обладнання на мережах загального користування України нам необхідно було виконати дві умови. По-перше, використовувані стандарти повинні були відповідати «Переліку стандартів і норм, яким повинні відповідати технічні засоби проводового електрозв'язку, які призначені для використання в телекомунікаційній мережі загального користування України». І, по-друге, Орган з сертифікації та випробувальна лабораторія повинні бути акредитовані при Адміністрації зв'язку України. Ми вибрали випробувальну лабораторії «Енергозв'язок» (поч. — Колченко А.В.), знаючи її гарну оснащеність засобами вимірювання для мереж SDH і Ethernet, а також високий професіоналізм співробітників, більшість з яких займаються волоконної оптикою більше 10-15 років.

Вибір вимірюваних параметрів

Цілком природно, що в процесі сертифікаційних випробувань перевіряються не всі параметри, зазначені в технічних специфікаціях виробників або в стандартах. Частина параметрів вимірювати досить складно. І для цього потрібне спеціалізоване і дороге устаткування. Причому, чим вище смуга частоти (або швидкість передачі) — тим більш дороге обладнання потрібно. А витрати на проведення атестації та повірки, та ще й чималі кошти на постійне підтвердження акредитації, не сприяють хорошій оснащеності наших лабораторій сучасними засобами вимірювань.

Іноді ж оптичне вимірювальне обладнання прийнятної точності достатньо габаритне і громіздке. Швидше воно придатне для заводських умов, де є місце для його установки і доцільність його використання для контролю на потоці.

Тому при виборі обсягу проведених випробувань / вимірювань завжди присутній раціональний підхід:
провести якомога більше випробувань для підтвердження нормам (і головне принципам!) технічних стандартів;
не вдаватися в складні, дорогі і довготривалі випробування;
по можливості провести випробування (навіть не входять в стандарти, але специфіковані в документах виробника), які дали б можливість замовнику оцінити працездатність і надійність пристроїв.

Виходячи з цього, ми погодили з сертификатора програму випробувань, в яку, в цілому, увійшли основні енергетичні параметри оптичного інтерфейсу (оскільки це важливо для розрахунку ліній), а також спектральні характеристики і очей-діаграму, які дозволяють перевірити якість вихідного сигналу (важливо для роботи ліній на граничних відстанях і з часом). Характеристики електричних інтерфейсів трансиверів також перевірялися, але на цих результатах ми зупинятися не будемо, оскільки вони, як правило, не викликають питань при роботі оптичних модулів.

На сертифікацію було виставлені наступні малогабаритні оптичні трансивери торгової марки FoxGate:
19 типів модулів SFP (100 Мбіт / с… 1 Гбіт / с): одноволоконних і двухволоконний, для багатомодових і одномодових волокон, на довжини хвиль 1310/1490/1550/1570 нм, на відстані від 3 до 120 км;
15 типів модулів SFP + (1 Гбіт / с… 10 Гбіт / с): одноволоконних і двухволоконний, для багатомодових і одномодових волокон, на довжини хвиль 850/1310/1550 нм, на відстані від 0,3 до 80 км;
15 типів модулів XFP (10 Гбіт / с): одноволоконних і двухволоконний, для багатомодових і одномодових волокон, на довжини хвиль 850/1270/1310/1550 нм, на відстані від 0,3 до 80 км;
3 типи модулів SFP CWDM (100 Мбіт / с… 1 Гбіт / с): двухволоконний, для одномодових волокон, на 18 довжин хвиль згідно сітці частот ITU-T G.694.1, на відстані 40/80/120 км;
3 типи модулів SFP + CWDM (10 Гбіт / с): двухволоконний, для одномодових волокон, на 18 довжин хвиль згідно сітці частот ITU-T G.694.1, на відстані 20/40/70 км;
3 типи модулів XFP CWDM (10 Гбіт / с): двухволоконний, для одномодових волокон, на 18 довжин хвиль згідно сітці частот ITU-T G.694.1, на відстані 20/40/70 км.


Оптические трансиверы FoxGate

Рис. 8. Оптичні трансивери FoxGate

Результати вимірювань енергетичних параметрів оптичного інтерфейсу

* Середня вихідна потужність випромінювання визначалася на робочих довжинах хвиль за допомогою оптичного вимірювача потужності ОТ-2-5.

Измерение выходной оптической мощности трансиверов

Рис. 9. Вимірювання вихідної оптичної потужності трансиверів

Результат знаходився в межах діапазону між специфікованою максимальним і мінімальним значенням. У середньому виміряна потужність перевищувала мінімальну на 3… 5 дБ. Мінімальний запас — 2,3 дБ.

* Дуже цікаво було проконтролювати стабільність рівня випромінювання оптичного передавача в часі. В результаті можна відзначити, що при включенні випромінювач входить в режим за кілька хвилин. Після цього середня вихідна потужність може змінюватися не більше ніж на 0,01 дБ протягом 10 хвилин (довше не чекали). Цікаво, що найбільш швидко входили в режим випромінювачі XFP і всі три лінійки джерел CWDM (особливо SFP), яким вистачало і півхвилини.

* Чутливість фотоприймача вимірювалася за допомогою оптичного вимірювача потужності ОТ-2-5 і змінного атенюатора PHOTOM-7081ZA.

Измерение чувствительности оптического приемника

Рис. 10. Вимірювання чутливості оптичного приймача

* Втрати на відбиття на фотодетектор визначалися за допомогою приладу ІВПо (див. рис. 11). У процесі випробування від внутрішнього каліброваного джерела немодульований сигнал подавався на фотодетектор. Відбитий сигнал повертається на той же порт, і через внутрішній ответвитель потрапляє на реєструючий фотодетектор. Результати виявилися в межах специфіковані значень: близько 14 дБ для модулів з відкритими фотодетекторами і 34… 37 дБ для детекторів з ферулой.

Измерение затухания отражения оптического приемника

Рис. 11. Вимірювання загасання відображення оптичного приймача

* Аналіз око-діаграми проводився за допомогою аналізатора телекомунікаційних сигналів Tektronix CSA803C. Це досить складне саме по собі вимір, оскільки потрібен спеціалізований аналізатор (осцилограф) з величезною широкополосностью — до декількох ГГц і декількох десятків ГГц залежно від швидкості переданого потоку даних. Крім того, важливо цей сигнал засінхронізіровать і максимально знизити вплив високочастотних перешкод і наведень. З урахуванням апаратних можливостей лабораторії аналіз проводився тільки для модулів на 1 Гбіт / с. Як і очікувалося, око-діаграми на виході випромінювачів цілком укладалися в маску.

Измерение глаз-диаграммы на выходе оптического передатчика

Рис.12. Вимірювання око-діаграми на виході оптичного передавача

* Рівень перевантаження фотоприймача більшості зразків не вимірюється, щоб не спалити модуль. У тих випадках, коли рівень перевантаження був вище максимального вихідного рівня випромінювача, ми переконалися в працездатності трансивера при з'єднанні безпосередньо «з виходу на вхід».

Результати вимірювань спектральних параметрів

Сертифікаційні лабораторії вкрай рідко оснащені засобами вимірювання, що дозволяють переглянути спектральні характеристики компонентів в оптичному діапазоні. Навіть не нові прилади, достатньо дорогі. А якщо додати до цього проблеми з їх метрологічною атестацією, витрати на атестацію та періодичні повірки, то стає зрозумілим чому ніхто особливо не прагне такі прилади мати на балансі.
Зображення спектрів всіх типів оптичних модулів, а також їх спектральні параметри у випробувальній лабораторії «Енергозв'язок» отримували за допомогою мережевого аналізатора Acterna ONT-50 в діапазонах 1310 нм і 1550 нм, а також Yokogawa AQ6370 в діапазоні 850 нм.

* Загальний вид отриманих спектрів відповідає теоретичним (описаним вище) для випромінювачів типів FP, VCSEL, DFB, EML.

Результаты измерений спектров оптических излучателей

Рис. 13. Результати вимірювань спектрів оптичних випромінювачів

* Порадували результати вимірювання ширини спектральної лінії джерел випромінювання. Для FP лазерів середньоквадратична ширина спектру (RMS) склала 1,5… 1,7 нм при специфіковані 3,5… 4 нм. Крім того, спектроаналізатор автоматично вираховує повну по половині максимуму ширину спектру (FWHM), яка для Гауссова розподілу визначається як 2,35 ширини спектра RMS. Лазери DFB показали значення 0,12… 0,45 нм при нормі 1 нм. А самий вузький спектр очікувано опинився біля лазерів з зовнішнім модулятором (EML) — 0,02… 0,08 нм. Це дозволяє забезпечувати велику дальність передачі навіть на швидкості 10 Гбіт / с не побоюючись впливу хроматичної дисперсії.

* Центральна довжина хвилі для лазерів типу DFB і EML визначається досить легко по піковому значенню основної моди випромінювача. Для лазерів FP і VCSEL в розрахунок приймається середньозважена довжина хвилі з урахуванням всіх основних мод, яка може дещо відрізнятися від пікової. Отримані результати для всіх модулів відповідали специфікації. Відмінність довжини хвилі від номінальної становило ± 3… 8 нм (при нормі від ± 10 нм до ± 40 нм) для звичайних SFP, SFP +, XFP без подальшого оптичного ущільнення. До оптичних трансівера CWDM пред'являються більш жорсткі вимоги: допустиме відхилення -6 / +7,5 нм від номінальної довжини хвилі, відповідної сітці частот G.694.2. При вимірах розкид склав всього ± 0,4… 2,4 нм.

image

Рис.14. Вимірювання спектрів на виході оптичних передавачів

* Стабільність центральної довжини хвилі (у часі) — не нормований параметр. Однак він, як і стабільність вихідної потужності, в якійсь мірі характеризує якість передавальної частини модуля. Дрейф центральної довжини хвилі припинявся приблизно протягом 20… 30 секунд. Для CWDM трансиверів стабілізація відбувалася за 3… 5 секунд.

* Обмірюваний коефіцієнт придушення бічних мод значно перевищив норму — 30 дБ. Лазери DFB мали значення SMSR в межах -37… -32 дБ, а EML — в межах -39… -50 дБ. Це говорить про хорошу вибірковості випромінювача, тобто про якість виготовлення внутрішньої періодичної решітки в структурі напівпровідника.

Висновок

Сертифікаційні випробування оптичних трансиверів FoxGate підтвердили відповідність параметрів електричного і оптичного інтерфейсу вимогам міжнародних стандартів. Результати, отримані для нормованих оптичних характеристик, перебували в заданих межах, а величина запасу дозволила судити про тривалу надійній роботі модулів, а також про можливості роботи на лініях передачі, кілька перевищують по довжині розрахункові. Додатково досліджені характеристики дозволили побічно говорити про високу якість компонентів і збірки, що забезпечує хорошу надійність модулів.
Випробувальна лабораторія «Енергозв'язок» продемонструвала гарну оснащеність сучасними вимірювальними приладами оптичного діапазону, а також високий технічний і методологічний рівень підготовки інженерів-випробувачів.

Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.