Что такое оптический передатчик

Наглядный обзор оптических передатчиков

Часто у знакомых системных администраторов, 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 обзорной статье я напишу основные характеристики оптических модулей для приема/передачи информации, расскажу основные моменты, связанные с их использованием, и приложу много наглядных изображений с ними. Осторожно, под катом много трафика, делал кучу своих собственных фотографий.

Что и зачем

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 и установленными модулями.

Вот об этих маленьких электронных штуковинах дальше и пойдет речь.

Виды оптических модулей

Периодически возникают вопросы, какой же оптический приемопередатчик нужен в конкретной ситуации. Если перед глазами оказывается прайслист какой-либо, то просто разбегаются глаза от обилия всевозможных наименований. Попробую прояснить, что же значат различные буквы и цифры в названии модулей и что же из них вам может понадобиться. Оптические модули различаются формфактором (GBIC, SFP, X2. ), типом технологии («прямые», CWDM, WDM, DWDM. ), мощностью (в дицебелах), разъемами (FC, LC, SC).

Различные формфакторы

В первую очередь модули различаются своими формфакторами. Немного расскажу про различные варианты.

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. У меня осталась одна старая циска 3500, еще без поддержки CEF, в которой можно воспользоваться данными модулями. На изображении снизу два GBIC-модуля 1000Base-LX и 1000Base-T:

Small Form-factor Pluggable, наследник GBIC. Наверно 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 и 1000Base-T.

Enhanced Small Form-factor Pluggable. Имеют идеентичный 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:

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. К сожалению, у меня нашелся лишь один XENPAK-модуль 10GEBase-LR и старая Cisco-вская плата WS-X6704-10GE под них.

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.

Но если кому интересно, вот здесь можно посмотреть больше картинок и возможностей этого разъема.

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

Различные стандарты

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.

Такие 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.

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.

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 20нм в диапазоне от 1270нм до 1610нм). 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.

Здесь появляется понятие оптический бюджет. Правда его расчет выходит за рамки этой статьи. В кратце, чем больше доступных портов, тем больше вы сможете смультиплексировать каналов, тем больше будет затухание. Кроме того, различные длины волн дают различные затухания на 1 километр передаваемого сигнала. А еще нужно учитывать тип волокна…

Можно много писать о методиках подбора таких модулей, о пересечении длин волн, о нежелательных длинах, о ADD/DROP-модулях. Но это отдельная тема.

Разъемы

Это то место, куда вы будете подключать оптический патчкорд. На оптических модулях сейчас используются преимущественно два типа раъемов — SC и LC. Грубо и жаргонно — 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. Выше на изображениях уже были модули с различными разъемами.

Оптические патчкорды, они же оптические шнуры. Нас будут интересовать следующие характеристики: дуплекс/симплекс (количество волокон), полировка (сейчас это UPC-синие или APC-зеленые), разъем (SC, LC, FC), многомодовость и длина. Конечно, важна еще и толщина сердцевины волокна, но сейчас на многомодовые обычные шнуры используют стандартную толщину. Снизу я представил изображение с различными видами концов патчкордов.

В основном вы будете встречать следующее обозначение шнуров — ШО-2SM-SC/UPC-SC/UPC-3.0. Это расшифровывается следующим образом: Шнур Оптический Дуплексный Одномодовый (Single-Mode) с разъемами SC и полировкой UPC с одной стороны и SC-UPC с другой длиной 3.0 метра. Соответственно, например, ШО-SM-LC/APC-SC/APC-15.0 — одномодовый дуплексный шнур с разъемами LC-LC и гравировкой APC длиной 15 метров.

Неоторые особенности

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

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 аттюниатора.

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 вас — 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.

Источник

Оптический передатчик

Оптический передатчик является электрооптическим прибором для преобразования электрических сигналов в оптические сигналы. Он состоит из когерентного источника света и промежуточных соединительных компонентов между коаксиальным входом и оптическим выходом. С выхода оптического передатчика оптический сигнал подается в оптическое волокно.

Основные факторы при выборе оптических передатчиков

1. Быстродействие (скорость переключения). Источник должен иметь малое время переключения (включения и выключения), чтобы соответствовать требованиям к скорости передачи информации в системе. Скорость переключения определяется временем нарастания (время, требуемое для увеличения выходной мощности источника от 10 до 90 %).

2. Выходная мощность. Источник должен иметь выходную мощность, достаточную для того, чтобы на выходе волокна было возможно уверенное детектирование оптического сигнала. Уровень выходного сигнала источника должен значительно превышать потери на проход через волокно и на волоконных соединениях и обеспечивать достаточное отношение сигнал/шум на входе детектора.

3. Длина волны выходного сигнала. Длина волны света, излучаемого источником, должна быть стабильна, а потери на этой длине волны должны быть минимальными в полосе пропускания волокна.

4. Ширина спектра излучения. В идеальном случае спектр излучения источника должен включать единственную длину волны, чтобы материальная дисперсия в волокне была минимизирована. Но спектр излучения реальных источников включает множество гармоник, поэтому его ширина определяется по уровню 50 % от максимального выходного значения амплитуды.

Важнейшей частью оптического передатчика является специальный источник когерентного направленного излучения, преобразующий входную электрическую энергию в выходную световую энергию. Такими преобразователями являются светоизлучающие диоды (LED) и лазерные (LASER) диоды. Те и другие источники изготавливаются из полупроводниковых материалов, обладающих излучающими свойствами, например, на основе арсенида галлия (GaAs). Первое поколение оптический передатчиков было внедрено в 1975 году. Основу передатчика составлял светоизлучающий диод, работающий на длине волны 850 нм в много-модовом режиме. К второму поколению относятся одномодовые передатчики, работающие на длине волны 1310 нм. Позднее светодиодные излучатели были заменены на более качественные суперлюминисцентные диоды и лазеры.

Светоизлучающий диод (Light Emitted Diod) представляет собой р-n переход, который самопроизвольно излучает свет при пропускании через него электрического тока. Вводя в переход путем легирования атомы различных добавок, таких как индий, алюминий, фосфор, можно менять длину волны излучения диода. Конус излучения LED-диодов значительно больше, чем апертура одно-модового оптического волокна. Вследствие этого эффективность ввода излучения LED-диода в волокно с маленьким диаметром очень низка, если не применяется специальных методов локализации излучения. Хотя существует множество различных способов производства LED-структуры, в настоящее время преимущественно используется два: с воронкообразным эмиттером и с краевым эмиттером. Обе эти структуры показаны на рис. 11.1.

Диод с воронкообразным эмиттером излучает свет с поверхностной области открытого углубления в виде воронки. Такая структура испускает широко расходящийся световой луч. Диод с краевым эмиттером излучает свет из узкой полоски, вложенной в полупроводник, и получаемый в этом случае световой луч существенно уже, чем в первом случае.

Характерстики LED-источников

По вышеперечисленным характеристикам LED-источники наилучшим образом подходят для служб с низкими скоростями передачи и систем небольшой протяженности, где недостатки этих приборов не слишком существенны. Использование многомодового волокна с большим диаметром сердцевины имеет много преимуществ в системах ограниченной длины, например, в пределах одного многоэтажного здания или группы близлежащих зданий. В таких случаях широкополосное излучение диода не будет серьезным ограничением.

Источник

Как выбрать оптический трансивер? Типы оптических модулей

Трансивер (от англ. Transceiver, акроним от слов transmitter – передатчик и receiver – приемник) – это съемный приемо-передатчик, предназначенный для использования в активном сетевом оборудовании таком, как маршрутизаторы, коммутаторы, транспондеры, медиаконвертеры. Оптический трансивер конвертирует передаваемые сигналы из внутренней среды сетевого оборудования в транспортную оптическую или электрическую среды передачи.

Виды трансиверов

Классифицировать трансиверы можно по нескольким характеристикам:

Основным параметром, от которого во многом зависит форм-фактор модуля, его скорость и технология передачи является – среда передачи. Существует две среды передачи: оптоволоконная, к которой относятся одномодовые и многомодовые оптические волокна и электрическая, к которой можно отнести витую пару и твинкоаксиальный кабель.

Оптоволоконная среда передачи

Оптическое волокно — среда для передачи световых сигналов. Представляет собой тонкий стеклянный провод (жила). Волокно которого состоит из внутренней сердцевины (ядра), по которой распространяется свет, и окружающей ее оболочки. Любые дополнительные покрытия (оболочки) являются защитными и служат для защиты волокна от физических воздействий.

На рисунке видно, что свет, проходящий через сердцевину к оболочке, полностью отражается от границы двух этих сред. Данное явление называется полное внутреннее отражение. Именно за счет этого явления свет может преодолевать большие расстояния по ОВ.

Волокна делятся по типу на два вида:

В рамках многомодовых волокон свет может распространяться на расстояние до двух километров. Данный вид оптических волокон используется для локальных подключений, где расстояние между конечными точками не превышает 300 метров. На основе многомодового волокна построены трансиверы типа AOC, а также системы уплотнения SWDM (Short Wavelength Division Multiplexing).

Одномодовое волокно более популярно в современных телекоммуникациях, так как позволяет передавать данные на расстояния до 160 километров, а также строить протяженные системы уплотнения DWDM.

Электрическая среда передачи

Электрическая среда передачи – это совокупность телекоммуникационных кабелей, в которых для передачи информации используется металлический проводник/проводники, по которым подается электрический ток.

По типу телекоммуникационные кабели делятся на два вида:

Необходимо заметить, что твинаксиальный кабель практически не встречается вне трансиверов типа Direct Attach Copper. Кабели из витой пары встречаются очень часто, как в быту – соединения личного компьютера с домашним роутером, так и в отрасли в целом, так как это самый популярный способ организации локальных низкоскоростных соединений. Примерно в 2016 году широкое распространение получил 10GE Copper – это связано с выходом на рынок трансиверов SFP+ 10GE Copper.

О форм-факторах и скоростях передачи в рамках рубрики «Wiki» выходило несколько статей, чтобы не растягивать вступление предлагаем ознакомиться с ними по ссылке, также более подробное описание технологий xWDM Вы можете прочитать по ссылке.

Изучить принципы работы и особенности трансиверов Direct Attach Copper можно по ссылке, а трансиверов Active Optical Cable в данной статье, ссылка.

Как выбрать трансивер?

Необходимость в приобретении оптических трансиверов может возникнуть по нескольким причинам:

Если речь идет о замене вышедшего из строя трансивера, то необходимую модель подобрать несложно, нужно правильно «прочитать» маркировку сломанного устройства и на основании этого подобрать такую же модель или аналог. Более подробно про маркировку ниже.

При модернизации существующей линии связи выбор необходимых модулей становится значительно сложнее. Для начала необходимо определиться с задачей, что есть в распоряжении и чего хочется добиться в итоге модернизации.

Самое простое и самое важное с чего стоит начать, это параметры имеющейся трассы, а именно затухания по трассе, в идеале на длинах волн 1310 нм и 1550 нм. Зная эти значения, можно сузить спектр подходящего оборудования и выбрать конкретную технологию передачи данных.

Если речь идет о расширении емкости системы уплотнения CWDM или DWDM, то необходимо знать есть ли «свободные» длины волн в мультиплексоре и трансиверы, с каким оптическим бюджетом работают на этой линии.

В том случае, если модернизация носит глобальный характер, например, переход от 1 Гбит/с к 100 Гбит/с, рекомендуем Вам обратиться в компании, занимающиеся расчётом и продажей телекоммуникационного оборудования. Эта рекомендация связана с тем, что без специальных знаний спроектировать такое расширения сети сложно, и при недостаточной компетентности можно совершить серьезные ошибки, которые могут привести к некорректной работе организованных каналов передачи.

Проектирование новой линии связи в принципе не отличается от модернизации уже существующей. В данном случае, также необходимо изначально обрисовать для себя итоговой результат и уже после этого начинать выбор необходимого оборудования. Совет по передаче расчёта новой трассы специализированным инженерам в данном варианте также актуален.

Маркировка трансиверов

Каждый трансивер имеет заводскую маркировочную этикетку, на которой в обязательном порядке содержится информация о марке, модели (артикуле устройства) и серийный номер. Дополнительно на этикетке производитель может разместить информацию: о скорости передачи, длине волны передатчика, типе транспортной среды (тип волокна, например), наличии дополнительного функционала, такого как DDM.

При необходимости идентифицировать имеющийся «на руках» приемопередающий модуль, проще всего занести информацию о марке и модели с этикетки трансивера в поисковую интернет систему и получить полное техническое описание устройства.

В случае, если информация на маркировочной наклейке развернутая и включает в себя описание характеристик трансивера, а доступ в интернет отсутствует, можно постараться идентифицировать трансивер по имеющейся на этикетке информации.

Также достаточно развернутую информацию о модуле можно узнать из диагностических данных получаемых коммутатором из прошивки трансивера. В зависимости от марки и модели активного сетевого оборудования объем предоставляемой информации может меняться, но в микрокоде оптического трансивера содержится следующая информация:

Совместимость трансиверов

Часто перед Пользователями встает вопрос: «А будет ли работать новый трансивер уже с имеющимся?». Чтобы утвердительно ответить на этот вопрос, необходимо соблюсти следующие условия:

Совместимость по скорости передачи

Как известно, форм-фактор трансивера не влияет на совместимость с техническим аналогом. Например, двухволоконный SFP 1.25 Гбит/с трансивер полностью совместим со своим более старым аналогом двухволоконным GBIC 1.25 Гбит/с трансивером или трансивер WDM SFP+ 10 Гбит/с 1270/1330 нм совместим с парным трансивером WDM XFP 10 Гбит/с 1330/1270 нм. Но если в первом примере изменить скорость SFP трансивера, то пара модулей не заработает (то есть двухволоконный SFP 4.25 Гбит/с FiberChannel модуль не совместим с двухволоконным GBIC 1.25 Гбит/с модулем). Это происходит из-за несогласованности скоростей передачи, протоколы передачи в данном случае являются второстепенными. Например, можно взять пару двухволоконных SFP модулей для Ethernet сетей, но скорость передачи одной будет 1,25 Гбит/с (GigabitEthernet), а второй 100 Мбит/с (FastEthernet), такая пара не заработает без дополнительных настроек коммутаторов.

Таким образом, можно резюмировать, что при выборе трансивера необходимо соблюдать одни и те же скорость передачи и протокол передачи, при этом форм-фактор трансиверов не влияет на их совместимость друг с другом.

Согласованность длин волн

Этот параметр наиболее важен при выборе WDM трансиверов, так как трансиверы работают в парах со строго обозначенными длинами волн приема и передачи, но и для двухволоконных модулей этот параметр так же лучше соблюдать. Разберем для начала длины волны WDM трансиверов. Ниже приведена таблица с длинами волн, скоростью передачи и дальностью передачи. Видно, что для некоторых трансиверов для одной и той же скорости и дальности передачи существуют две разные пары модулей по длине волны, которые несовместимы друг с другом.

У двухволоконных модулей строгой парности нет, но несоблюдение единой длины волны может вызвать перекосы в оптическом бюджете канала, так как длины волн 1310 нм и 1550 нм имеют разные показатели погонного затухания в оптических волокнах.

Данный пункт в основном касается двухволоконных модулей, так как именно этот тип трансиверов может быть заточен для передачи информации по многомодовому и одномодовому волокну. Остальные виды оптических трансиверов рассчитаны на передачу только по одномодовому волокну.

По многомодовому волокну могут передаваться сигналы из первого (850 нм) и второго (1310) окон прозрачности, а по одномодовому сигналы из второго (1310 нм) и третьего (1550 нм), то есть общие длины волн для MMF и SMF это 1310 нм. Это значит, что при выборе двухволоконного модуля необходимо учитывать не только длину волны передатчика, но и волокно, под которое разработан трансивер.

Поддержка трансивера активным сетевым оборудованием

После проверки параметров трансиверов необходимо удостовериться, что имеющийся у Вас коммутатор совместим и поддерживает выбранный трансивер. Одна из самых банальных ошибок – это перепутать порт SFP с портом SFP+, т.к. они визуально не отличаются, узнать тип портов можно или по спецификации на оборудование, или при помощи диагностической команды, которая покажет все имеющиеся порты и их тип.

Но есть более сложная вещь – список поддерживаемых трансиверов. Это значит, что даже обладая, к примеру, портами SFP+ коммутатор может не поддерживать работу SFP+ ZR. Этот список можно получить, опросив коммутатор соответствующей диагностической командой.

Или изучить техническую спецификацию коммутатора, но в данном случае необходимо помнить, что в зависимости от версии операционной системы список поддерживаемых трансиверов может изменяться, таким образом, лучше еще проверить документацию на операционную систему коммутатора.

Отдельно необходимо выделить трансиверы SFP/SFP+ Copper и DAC, так как с этими модулями речь зачастую идет о hardware совместимости. И информацию о поддержке этих трансиверов можно получить только из технической документации на сетевое устройство, так как важна поддержка определенного интерфейса, на базе которого построен трансивер.

Это не касается оптических трансиверов в связи с тем, что они в большей своей части строятся на одном интерфейсе, и проблемы с поддержкой и совместимостью в их случае можно отнести к software ограничениям, которые при необходимости можно решить сменой прошивки трансивер, подробнее про этот процесс по ссылке.

Источник