Neue und kommende Übertragungsprotokolle und die resultierenden Anforderungen an die LWL-Verkabelung

Die Ethernet (R)evolution Der Bedarf an Bandbreite in lokalen Netzen wächst immer schneller 10000 10 Gigabit 1000 Ethernet 10 Gb/s Gigabit Datenrate (Mb/s) 100 Ethernet Fast 1000 Mb/s Ethernet 10 100 Mb/s Ethernet 10 Mb/s 1 1985 1995 1998 2002

Die Ethernet und Fast Ethernet Evolution Ursprung: ALOHA-Netzwerk der Universität von Hawaii in 1968 Ab 1975 durch Xerox weiterentwickelt (2,94 Mbit/s) Ethernet 10 Mbit/s: 1980: Ethernet Norm von Xerox, DEC und Intel (10Mbit/s) 1983: 10BASE-5 fertiggestellt 1984: Erweiterung auf 10BASE-2 1985: Erste Ethernet Norm der IEEE 802.3 auf Koaxkabel (Manchester-Kodierung) 1991: Erweiterung auf 10BASE-F über LWL 1992: Erweiterung auf 10BASE-T für symmetrische Leitungen Fast Ethernet 100 Mbit/s (IEEE 802.3u): 1995: 100BASE-T (MLT-3 Kodierung)

Gigabit Ethernet 1000 Mbit/s (IEEE 802.3z) 1998: 1000BASE-CX (Twinax 150 Ohm - im Markt nicht durchgesetzt, da max. Distanz nur 25 m) 1998: 1000BASE-SX (Mehrmoden-LWL mit short wavelength laser 850 nm) 1998: 1000BASE-LX (Einmoden-LWL mit long wavelength laser 1310 nm) 1999: 1000BASE-T (IEEE 802.3ab; PAM5 Kodierung; Twisted pair Kat.5e Verkabelung; Vollduplex bidirektional über 4 Paare) 2000: 1000BASE-TX (ANSI TIA/EIA); Twisted pair Kat.6 Verkabelung; Halbduplex (über je 2 Paare Senden und Empfangen)

10Gigabit Ethernet 10Gbit/s (IEEE 802.3ae) 2000: 10GBASE-... 4 PMDs wurden vorgeschlagen: 1550 nm seriell (10GBASE-ER/EW) = Einmodenfaser 1310 nm seriell (10GBASE-LR/LW) = Einmodenfaser 1310 nm CWDM (10GBASE-LX4) = Ein- oder Mehrmodenfaser 850 nm seriell (10GBASE-SR/SW) = Mehrmodenfaser (VCSEL) Legende: PMD = Physical Medium Device = Physikalisches Medium / 10GBASE-xyz mit: x: S (Short wavelength 850 nm) y: W (WAN mit Sonet STM-192 Kodierung) L (Long wavelength 1310 nm) R (LAN seriell & 64B / 66B Kodierung) E (Extra long wavelength 1550 nm) X (LAN mit CWDM = coarse wavelength division multiplexing & 8B / 10B Kodierung) z: # (Anzahl der Kanäle bei CWDM)

Anforderungen für GbE und 10GbE über LWL Existierende (z.B.: Gigabit Ethernet) und zukünftige Übertragungs-standards (z.B.: 10GbE) erfordern Datenraten >> 622 Mbps LEDs können bauartbedingt nicht als Sender für deutlich höhere Datenraten als 622 Mbps verwendet werden Die Verwendung von alternativen Sendern ist daher zwingend erforderlich

Übersicht Arten von Sendequellen LED Nicht für hohe Datenraten geeignet (z.B. GbE) Laser, z.B Fabry Perot oder DFB Laser Geeignet für Gigabit Ethernet, aktive Komponenten jedoch für LAN Anwendungen sehr kostenintensiv VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) Ermöglicht kostengünstige aktive Komponenten Versionen für sehr hohe Datenraten erhältlich (>10 Gigabit/s) Geringe Einkoppelverluste bei hoher Sendeleistung und damit größeren Distanzen LED Laser VCSEL

Unterschiede zwischen LED und Lasereinkopplung LED Einkopplung Hunderte Moden, große modale Dispersion Leistung im gesamten Kern und darüber hinaus verteilt (Vollanregung; OFL = over filled launch) Laser Einkopplung Wenige Moden, hohe Leistung, geringe modale Dispersion Geringer Einkoppelverlust Leistung nur im Zentrum des Faserkerns

LED und Lasereinkopplung Bedeutung des Brechzahlprofils im Faserkernzentrum Breites OFL Nahfeld (LED) Schmales VCSEL Nahfeld Bedeutung für Brechzahlprofilverlauf im Faserkernzentrum: : gegen 0 gravierend da der Anteil vom Gesamt- signal im Faserkern- zentrum: sehr klein sehr groß

Warum laseroptimierte Fasern? Konventionelle Mehrmoden- fasern weisen in Ihrem Faser- kernzentrum häufig Störungen auf: Centerline Dip (Einbruch im Brechzahlprofil) Abflachungen (flat tops) Spitzen (peaks) Diese Störungen führen zur Verformung des Übertragungs- signals Brechzahlprofil mit Centerline Dip Brechzahlprofil einer laser-optimierten Faser ohne Störungen Mehrmodenfaser Faserkern mit 50 oder 62,5 µm Durchmesser Mantelglas mit 125 µm Durchmesser

Störungen im Brechzahlprofil resultieren in undefinierbarer Verformung des Übertragungssignals 0 0 1 0 ? 1 1 0 Folge: Empfänger kann einzelne Bits nicht mehr auflösen Resultat: Erhöhte Bitfehlerrate Reduzierung der Netto-datenrate bzw. Übertragungs-geschwindigkeit Im Extremfall vollständiger Ausfall der Übertragung Bitlänge Bitlänge Ideales Eingangssignal Verformtes Ausgangs- signal am Faserende Quelle: Bell Labs-Messung mit konventioneller Mehrmodenfaser

Motivation für Laser-optimierte Mehrmodenfasern In lokalen Netzen eingesetzte kostengünstige VCSEL Komponenten übertragen im 1. Fenster (also bei 850 nm) und erfordern daher Mehrmodenfasern Diese Mehrmodenfasern müssen auf Lasereinkopplung optimiert und spezifiziert sein Heute gängige Mehrmodenfasern sind für typische GbE und 10GbE Übertragungsstreckenlängen in lokalen Netzen nicht geeignet

Zusammenfassung Motivation für Laser-optimierte Mehrmodenfasern Neue Übertragungsstandards stellen aufgrund ihrer Übertragungsrate hohe Anforderungen an Glasfaser-Verkabelungssysteme. Für die Übertragung der hohen Datenraten sind LEDs nicht geeignet Günstige Komponenten mit 850 nm VCSEL-Transceivern (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) bieten sich an Im Vergleich zu SX-Transceivern sind die bisher verwendeten konventionellen 1300 nm Laserkomponenten vielfach teurer Die SX-Transceiver übertragen und empfangen im 1. Fenster und erfordern daher Mehrmodenfasern