Atenuatoare în comunicarea prin fibră optică

Atenuatoare opticeocupă o poziție specială în dispozitivele de infrastructură{0}}fibră concepute special pentru a degrada performanța semnalului. Premisa fundamentală pare contraintuitivă într-o industrie obsedată de a minimiza pierderile: introducerea în mod deliberat a pierderilor de inserție în căile de transmisie în care inginerii au petrecut decenii eliminând fiecare decibel fracțional de atenuare. Cu toate acestea, saturația receptorului rămâne o realitate operațională persistentă, în special în implementările cu un singur-mod, unde sursele laser de mare-putere depășesc în mod obișnuit pragurile de intrare ale fotodetectorului cu marje care ar distruge complet elementele sensibile APD.

Fișele de specificații pentru transceiver-uri optice listează puterea maximă de recepție alături de sensibilitatea minimă. Minimul atrage toată atenția în timpul calculelor bugetului de link. Puterea maximă de recepție se află acolo în liniște, de obicei în jur de -3dBm până la -1dBm pentru modulele tipice 10G SFP+, așteaptă să provoace probleme atunci când cineva instalează o optică de 40 km pe o lungime de 2 km.

Am văzut exact acest scenariu de trei ori în ultimele optsprezece luni. Operatorul centrului de date comandă transceiver-de lungă durată, deoarece achizițiile au primit o reducere de volum. Tehnicienii le instalează pe legăturile inter-cladiri care abia se întind pe 500 de metri. Puterea de lansare atinge receptorul la +2dBm. Link-ul refuză să se stabilească. Toată lumea presupune că transceiver-ul este defect.

Nu este defect. Fotodioda este orbită.

Codurile de eroare rareori ajută. Majoritatea firmware-ului comutatorului raportează „fără semnal” sau „link down” în mod identic, indiferent dacă receptorul vede prea puțină lumină sau prea multă. Tehnicienii experimentați învață să verifice ambele condiții. Toți ceilalți înlocuiesc transceiver-urile până când cineva apucă accidental un modul de atingere adecvat.

Atenuatoarele rezolvă acest lucru. Un atenuator fix de 10 dB de pe partea de recepție scade cu +2dBm la -8dBm în siguranță în intervalul de funcționare. Legătura stabilește. Problema dispare. Soluția costă poate cincisprezece dolari.

Merită menționat în mod explicit: infrastructura multimodală aproape niciodată nu necesită atenuatori.

Sursele VCSEL din transceiverele multimode se lansează poate de la -3dBm până la 0dBm. Receptoarele multimode se ocupă de intrarea maximă de -1 dBm. Matematica nu produce scenarii de suprasaturare în condiții normale. Chiar și conexiunile directe de patch între porturile adiacente - configurații cu pierderi minime absolute - rămân în limite acceptabile.

Modul unic-este locul unde trăiesc problemele. Laserele DFB care împing +3dBm lansează putere în fibre concepute pentru distanțe de transmisie de 80 km. Desfășurați acele optici pe o conexiune încrucișată de 50-metri și receptorul nu are nicio șansă.

Atenuatoarele de-pierdere sunt ieftine. De asemenea, sunt problematice în moduri în care prețul lor nu se reflectă.

Principiul de funcționare este elegant: creați un spațiu de aer între părțile de capăt ale fibrei, lăsați fasciculul să se diverge, colectați doar o parte din acea lumină divergentă în fibra receptoare. Atenuare realizată. Fizică simplă.

Fizica produce, de asemenea, reflexii Fresnel la acele interfețe din sticlă{0}aer. Lumina se întoarce spre sursă. Într-un headend CATV care rulează video analogic, acele reflexii se manifestă ca fantomă. Într-o cavitate laser DFB, acestea cauzează saltul de mod și degradarea lățimii de linie. Într-un EDFA, ele pot declanșa laser parazitar dacă puterea reflectată este suficientă.

Mi-am petrecut o după-amiază depanând vârfurile BER intermitente pe un interval DWDM în care cineva instalase un atenuator de pierderi-gap fără a verifica specificațiile privind pierderile de retur. Atenuatorul însuși a măsurat pierderea de inserție corectă-fină, valoarea corectă a atenuării, sunet mecanic. Dar pierderea de întoarcere a fost de 14 dB. Laserul emițătorului a fost nemulțumit de aproximativ 4% din puterea sa care a revenit înapoi în cavitate la fiecare puls.

L-am înlocuit cu un atenuator de fibre-dopate. Problema a dispărut.

Pentru aplicațiile cu un singur-mod-mai ales orice care rulează modulație coerentă sau rate de simboluri ridicate-specificațiile de pierdere de returnare contează mai mult decât valoarea de atenuare imprimată pe carcasă. Pierdere de returnare de minim 45 dB pentru implementări serioase. 55dB sau mai bună dacă rulați ceva peste 100G.

Atenuatoarele fixe costă cinci până la douăzeci de dolari, în funcție de tipul și calitatea conectorului. Atenuatoarele variabile încep în jur de cincizeci de dolari pentru tipurile de reglare manuală și urcă rapid de acolo.

Instinctul este de a cumpăra valori fixe care corespund cerințelor calculate. Un atenuator fix de 7 dB costă mai puțin decât o unitate variabilă. De ce să plătiți suplimentar pentru ajustabilitatea de care nu aveți nevoie?

Pentru că ai calculat greșit.

Sau pentru că specificațiile transceiver-ului erau optimiste. Sau pentru că panoul de corecție adaugă pierderi neașteptate. Sau pentru că cineva a schimbat rutele de fibră în timpul unei ferestre de întreținere și nimeni nu a actualizat documentația. Sau pentru că bugetul de legătură inițial presupunea conectori care nu au fost instalați efectiv.

I-am văzut pe tehnicieni cum stivuesc atenuatoare fixe-un 5dB și un 3dB împerecheate-încercând să aproximeze atenuarea pe care o necesită de fapt legătura lor. Reflexiile în cascadă de la mai multe dispozitive-de aer agravează problema pierderii de retur descrisă mai sus. Două atenuatoare ieftine cu performanțe mai slabe decât ar face o unitate variabilă adecvată.

Atenuatoarele variabile au sens pentru testare și punere în funcțiune. Apelați exact atenuarea necesară, verificați performanța conexiunii, apoi opțional înlocuiți cu o unitate fixă care se potrivește cu valoarea măsurată. Pentru instalațiile permanente în care bugetul de putere optică este bine-caracterizat și stabil, atenuatoarele fixe sunt bune. Pentru orice altceva, unitățile variabile își câștigă prima de cost prin flexibilitate operațională.

attenuators

Atenuatoarele variabile tradiționale foloseau mecanisme mecanice-filtre de densitate neutră rotative, goluri de aer reglabile, elemente de blocare mutate în calea fasciculului. Acestea au funcționat. De asemenea, s-au uzat, au avut nevoie de recalibrare și au răspuns încet la comenzile de ajustare.

Atenuatoarele optice variabile bazate pe MEMS-au înlocuit toată această complexitate cu o microoglindă. Acționat electrostatic, timpi de răspuns sub-milisecunde, fără suprafețe de uzură mecanică, dependență neglijabilă de polarizare. Tehnologia s-a maturizat rapid prin era DWDM, când furnizorii de echipamente aveau nevoie de egalizarea puterii pe-canal în lanțurile de amplificatoare optice.

Un MEMS VOA în interiorul unui EDFA nu este acolo pentru a preveni saturarea receptorului. Este acolo pentru a aplatiza înclinarea câștigului-asigurându-vă că canalele la 1530nm nu ies din amplificator cu 3dB mai puternic decât canalele la 1560nm pur și simplu pentru că spectrul de câștig al erbium nu este plat. Patruzeci sau optzeci dintre aceste dispozitive, unul pe lungime de undă, ajustându-se continuu pe măsură ce încărcarea canalului se modifică.

Alternativa a fost filtrele de-aplatizare a câștigului. Profiluri de atenuare fixe, pasive, cu lungime de undă-selectivă, care se potrivesc cu inversul formei așteptate a câștigului. Acestea funcționează frumos atunci când încărcarea canalului este statică. Când clienții adaugă și reduc lungimi de undă în mod dinamic, forma câștigului se schimbă, iar filtrele fixe nu pot compensa.

MEMS VOA au făcut rețelele optice reconfigurabile viabile comercial. Asta nu este o exagerare. Fără controlul dinamic al puterii pe-canal, arhitecturile ROADM ar produce diferențe de negestionat semnal optic-la-raportul de zgomot pe lungimi de traseu dependente de lungimea de undă-.

Atenuatoarele variabile cu cristale lichide au apărut ca o tehnologie concurentă cu MEMS. Nicio parte în mișcare-atenuare controlată de tensiune-modificări de birefringență induse în materialul LC. Răspuns mai rapid decât abordările mecanice, fără mecanisme de uzură, fiabilitate-solidă.

Au găsit nișe. Instrumentare de laborator. Anumite aplicații specializate. Nu au înlocuit niciodată MEMS în implementările de telecomunicații mainstream.

Sensibilitatea la temperatură i-a ucis pentru aplicații pe teren. Proprietățile materialului LC se schimbă cu temperatura, necesitând circuite de compensare și recalibrare frecventă în medii fără control climatic. Condițiile centrului de date sunt gestionabile; incintele exterioare ale plantelor care se confruntă cu ierni de -40 de grade și veri de +50 grade nu sunt.

Pierderea de inserție a fost, de asemenea, mai mare decât alternativele MEMS. O jumătate de dB aici, trei-sferturi de dB acolo-se acumulează în sistemele în care fiecare zecime de dB contează pentru OSNR.

Atenuatoarele aparțin la capătul receptor al legăturii. Nu capătul emițătorului. Nu undeva la mijloc.

Acest lucru nu este arbitrar. Plasarea atenuării la receptor servește la două scopuri dincolo de prevenirea evidentă a saturației: orice reflexii de la interfețele proprii ale atenuatorului sunt atenuate pe calea lor de întoarcere la sursă, iar măsurătorile de putere la receptor rămân simple-măsurați înainte de atenuator, după terminarea atenuatorului.

Puneți atenuatorul la capătul transmițătorului și nu ați realizat nimic pentru gestionarea pierderilor de returnare. Fiecare conector și îmbinare în aval contribuie la reflexii care ajung la sursă la amplitudine maximă. Atenuatorul blochează puterea înainte, dar nu face nimic pentru propagarea înapoi-luminii care nu a fost niciodată atenuată.

Am întâlnit instalații în care cineva a plasat atenuatoare imediat după transmițător „pentru a proteja fibra” de puterea excesivă. Fibra nu are nevoie de protecție de câțiva miliwați. Receptorii au nevoie de protecție. Amplasarea nu avea sens optic, dar a persistat prin mai multe cicluri de întreținere, deoarece a fost documentată și nimeni nu a pus la îndoială practica documentată.

Pachetul de atenuator spune 10dB. Atenuarea reală ar putea fi de 9,7 dB. Sau 10,4 dB. Sau 11,2 dB, în funcție de lungimea de undă, temperatură și cât de mult îi pasă producătorului respectarea specificațiilor.

Pentru majoritatea aplicațiilor, această bandă de toleranță este irelevantă. Aveți nevoie de aproximativ 10 dB de atenuare pentru a aduce puterea receptorului în gamă. Indiferent dacă atingeți 9,5 dB sau 10,5 dB nu afectează viabilitatea conexiunii.

Pentru aplicații de precizie-testarea de acceptare, măsurători OSNR, caracterizarea amplificatorului-precizia atenuatorului contează în mod semnificativ. Atenuatoarele variabile-de înaltă calitate de la furnizorii de echipamente de testare includ mii de puncte de calibrare care mapează atenuarea reală la setările cadranului pe mai multe lungimi de undă și niveluri de putere. Instrumentele costă corespunzător.

Am folosit un atenuator programabil de 15.000 USD pentru a caracteriza sensibilitatea receptorului. Precizia atenuării a fost de ±0,05 dB în banda C-, cu o rezoluție de 0,01 dB. Această precizie este necesară atunci când măsurați dacă sensibilitatea unui receptor este -28,0 dBm sau -28,3 dBm. Este o exagerare absurdă pentru a preveni saturația într-o legătură de producție.

Potriviți instrumentul cu aplicația. Nu instalați atenuatoare-de laborator în panourile de corecție. Nu depanați sistemele DWDM cu atenuatoare din coșul de chilipiruri.

Wikipedia menționează înfășurarea fibrelor în jurul unui creion ca metodă temporară de atenuare. Acest lucru apare ocazional în depanarea pe teren când atenuatoarele adecvate nu sunt disponibile.

Funcționează, cam. Atenuarea indusă de îndoire-este fizică reală. Îndoirile strânse forțează lumina în placare, reducând puterea transmisă.

Nu face asta.

Atenuarea este imprevizibilă-în funcție de raza de îndoire, numărul de înfășurări, tipul fibrei și lungimea de undă. Este instabilă-fibra se relaxează, atenuarea se modifică. Stresul distructiv-repetat sparge sticla. Introduce cuplarea modului în fibră multimodală, interferând cu condițiile de lansare în moduri care afectează precizia măsurării.

Dacă cineva înfășoară fibră în jurul unui creion pentru a face o legătură să funcționeze, acesta este un semn pentru a opri și a achiziționa echipamentul adecvat. Nu este o soluție. Este o disperare documentată ca tehnică.

Ratele mai mari ale simbolurilor măresc sensibilitatea la pierderea rentabilității. Zgomotul de fază de la puterea-reflectată din spate contează mai mult la 64-QAM decât la OOK. Specificațiile de pierdere de returnare a atenuatorului care erau acceptabile pentru 10G devin problematice la 400G.

Receptoarele DSP coerente au o gamă dinamică mai largă decât receptoarele cu{0}}detecție directă, reducând unele probleme de saturație. Procesarea optic a semnalului care permite detectarea coerentă oferă, de asemenea, mai multă toleranță la variația puterii. Acest lucru nu elimină nevoia de atenuatoare-ci schimbă profilul aplicației.

Integrarea cu siliciu fotonic pune funcționalitatea VOA pe-cip în designul transceiver-ului. Dacă transmițătorul include un atenuator variabil integrat, atenuarea externă devine inutilă pentru unele scenarii de implementare. Transceiver-ul în sine ajustează puterea de lansare pentru a se potrivi cerințelor de legătură.

Această integrare nu va elimina piața atenuatoarelor externe. Echipamentul vechi nu are controlul integrat al puterii. Aplicațiile de testare necesită atenuare externă calibrată. Instalațiile de modernizare au nevoie de soluții care nu necesită înlocuirea transceiverului.

Dar echilibrul se schimbă. Modulele de atenuare create special-răman necesare; penetrarea lor pe piață se schimbă pe măsură ce crește inteligența transceiver-ului.

Atenuatoarele nu sunt dispozitive complicate. Acestea reduc puterea optică. Fizica este simplă. Opțiunile de implementare sunt bine-înțelese.

Complicațiile apar din contextul implementării: alegerea valorilor de atenuare adecvate fără măsurători adecvate de putere, selectarea tehnologiilor de atenuare nepotrivite cu cerințele aplicației, plasarea dispozitivelor în poziții care nu abordează problemele reale, acceptarea specificațiilor de pierdere de returnare care creează noi probleme în timp ce rezolvă cele vechi.

Fiecare instalare a atenuatorului este o recunoaștere a faptului că altceva din designul legăturii nu se potrivea cu realitatea operațională. Receptorul este prea sensibil pentru puterea emițătorului. Intervalul este prea scurt pentru specificațiile optice. Încărcarea canalului diferă de ipotezele de proiectare originale.

Atenuatoarele se plasează peste aceste nepotriviri. O fac eficient, ieftin și fiabil atunci când sunt selectați corespunzător. Nu sunt eleganti. Sunt pragmatici.

În rețelele optice de producție, soluțiile pragmatice care funcționează depășesc soluțiile elegante care nu funcționează. Atenuatoarele funcționează.