Performance von 10GbE-Channel-Links - Teil 1
Einfügedämpfung und Bitfehlerrate
Die Leistungsfähigkeit von Multimode-Fasern zu bestimmen, ist alles anderer als ein triviales Unterfangen. In einer zweiteiligen Artikelserie stellt Dr. Rick Pimpinella die Ergebnisse seiner wissenschaftlichen Forschung in den Panduit Laboratories vor. Teil 1 erläutert den recht aufwändigen Messaufbau und beschäftigt sich mit der Auswirkung der Einfügedämpfung auf die in der Praxis wichtige Bitfehlerrate. Teil 2 diskutiert Diskrepanzen bei der Typisierung von LWL-Bandbreiten.
Seit 2003 untersuchen wir in den Panduit Laboratories die Channel-Performance von
Multimode-Fasern (MMF) gemäß IEEE 802.3ae. Einige unserer wichtigsten Beobachtungen stellt der
folgende Artikel dar. Die Daten zeigen, wie die Einfügedämpfung (IL, Insertion Loss) von
LWL-Steckverbindern und die mechanische Biegung der Faser zu einem unerwartet hohen Verlust der
Channel-Performance führen können. Modale und räumliche Filterung der übertragenen Moden aufgrund
schlechter Ausrichtung der LWL-Steckverbinder sowie mechanischer Biegung der Faser können eine
beträchtliche selektive Modendämpfung (MSL, Mode Selective Loss) verursachen und somit das
Modenrauschen erhöhen. Das Modenrauschen wurde zwar im IEEE-Channel-Modell berücksichtigt, dieser
Artikel zeigt jedoch, dass bestimmte Bedingungen zu unerwartet hohem Modenrauschen beitragen
können. Unsere Ergebnisse und Schlussfolgerungen basieren auf einem Testsystem für Bitfehlerraten
(BER, Bit Error Rate), das den physischen Ethernet-Link emuliert. Zunächst beschreiben wir daher
kurz unser BER-Messverfahren (Bild 1).
Die BER-Testanordnung besteht aus einem Signalgenerator, der einen optischen Sender mit einer
Pseudo-Zufalls-Binärfolge (PRBS, Pseudo Random Binary Sequence) digitaler Einsen und Nullen
bedient, die einen Zufallsdatenstrom repräsentieren. Der optische Sender wandelt den
PRBS-Datenstrom von elektrischen in optische Impulse um und sendet das optische Testsignal in den
Channel. Der optische Empfänger erkennt das Testsignal und wandelt den Datenstrom wieder in
elektrische Daten um, die dann von einem BER-Empfänger analysiert werden. Der BER-Empfänger
vergleicht die empfangenen Daten mit den gesendeten Daten (Referenzsignal) und zählt die Anzahl der
fehlerhaften Bits. Die Bitfehlerrate ist das Verhältnis der Anzahl der fehlerhaften Bits zur
Gesamtanzahl der übertragenen Bits in einem bestimmten Zeitraum. Eine Bitfehlerrate von 10–9
bedeutet somit, dass 1 Bit von 109 Bits fehlerhaft ist. Die BER-Anforderung für einen
10-GBit/s-Ethernet-Link ist 10–12 für eine maximale Channel-Länge (oder Reichweite) von 300m für
OM3-Multimode-Fasern.
Der optische "Channel" in Bild 1 besteht aus der zu testenden Faser, zwei angeschlossenen
LWL-Steckverbinderpaaren und einem variablen optischen Dämpfer (VOA, Variable Optical Attenuator).
Der VOA ist erforderlich, um die Channel-Performance als Funktion der empfangenen optischen
Leistung zu untersuchen und damit das Bitfehlerratenverhalten des Channels zu charakterisieren.
Mithilfe unseres Bitfehlerratentestsystems (BERT-System) haben wir Hunderte von Faserproben mit
berechneten effektiven modalen Bandbreiten (EMBc, Effective Modal Bandwith) von weniger als 950
MHz/km bis zu mehr als 8000 MHz/km untersucht. Wir sind der Überzeugung, dass die BER-Untersuchung
die Link-Performance am genauesten charakterisiert, da mit diesem Testverfahren die Fähigkeit des
Channels zur Datenübertragung direkt gemessen wird. Dabei werden auch die Verschlechterung aufgrund
der Einfügedämpfung durch LWL-Steckverbinder, Mikrobiegungen oder andere Einflüsse berücksichtigt,
die bei Bandbreiten- und DMD-Messungen unberücksichtigt bleiben. Standardverfahren für die
Charakterisierung der Faserbandbreite wie DMD und die berechnete modale Bandbreite (EMBc) sind
Thema von Teil 2 dieses Artikels, der in einer der folgenden Ausgaben der LANline erscheinen
wird.
Um die Beschränkungen der Channel Performance zu identifizieren, müssen wir jede der optischen
Beeinträchtigungen oder optischen Leistungseinbußen, die den Channel Link beeinflussen, genau
untersuchen. Die Leistung des Channels hängt von den Eigenschaften des Ausgangssignals des Senders,
der Empfängerempfindlichkeit und den verschiedenen Leistungseinbußen ab, die die Wellenform der
übertragenen Impulse beeinflussen. Die Bedeutung jeder dieser Einflüsse und anderer wichtiger
Parameter wird behandelt. Zuerst betrachten wir den Parameter "optische Modulationsamplitude"
(OMA), der die Performance des optischen Links stark beeinflusst. Die OMA charakterisiert das
Ausgangssignal des Senders und wird als Differenz zwischen den optischen Leistungsebenen für
logisch 0 und logisch 1 definiert. Wir legen die optischen Leistungsebenen für das 0- und 1-Bit
entsprechend auf P0 und P1 fest. Es gilt: OMA = P1 – P0
Die OMA wird im Allgemeinen mithilfe eines Oszilloskops durch Anzeigen der resultierenden
Wellenform einer Pseudo-Zufalls-Binärsequenz von Bits gemessen. Die in Bild 2 gezeigte Wellenform
heißt auch Augendiagramm. Ein Augendiagramm wird durch Betrachten eines seriellen Bitstroms einer
Zufallsfolge von Nullen und Einsen mithilfe eines Oszilloskops erstellt. Aufgrund der
Zeiteinstellung des Oszilloskops umfasst das Augendiagramm drei aufeinander folgende Bits: ein
volles Bit und ein halbes Bit auf jeder Seite. Jedes Mal, wenn das Oszilloskop ausgelöst wird,
zeigt es eine andere Kombination von Bits an. Somit existieren für die drei auf dem Oszilloskop
angezeigten Bits acht mögliche Kombinationen: (000), (001), (010), (011), (100), (101), (110) und
(111). Das Augendiagramm ist ein sauberes Verfahren zum Messen der durchschnittlichen optischen
Leistungsebenen und der Abweichung der optischen Leistung für die verschiedenen Kombinationen der
Datenbits.
Die Durchschnittswerte von P0 und P1 lassen sich aus dem Augendiagramm ablesen. Die
durchschnittliche optische Leistung des Signals folgt aus der Formel Pave = 0,5 (P0 + P1).
Die Bedeutung der OMA kann aus ihrer Beziehung zum Q-Faktor des Links [1] abgeleitet werden, der
die gesamte Signalqualität quantifiziert und in direkter Verbindung zur BER-Leistung des Channels
steht. Im Q-Faktor wird das Verhältnis Signal-zu-Rauschen (SNR, Signal-to-Noise Ratio) der beiden
digitalen Signalebenen P0 und P1 zu einem einzigen Zahlenwert kombiniert, der sich aus der
folgenden Formel ergibt:
Q = (P0 + P1)/(s1 + s2)
wobei s1 und s2 die Standardabweichungen für die optischen Leistungsebenen P1 und P0 sind.
Somit ist der Q-Faktor ein Maß für das kombinierte Verhältnis Signal-zu-Rauschen (SNR) des Links
beziehungsweise. die Qualität des Links und ist direkt proportional zur OMA. Je größer die OMA,
desto höher ist die Link-Performance. Dies wird in unserer BER-Analyse demonstriert.
Um den Einfluss der OMA auf die BER-Leistung zu demonstrieren, zeichnen wir in Bild 3 die
BER-Kurven für vier Differenzwerte der OMA, wobei BER auf der vertikalen Achse als Funktion der
empfangenen optischen Leistung in Einheiten von dBm auf der horizontalen Achse dargestellt wird.
Mit abnehmender optischer Leistung erhöht sich die Bitfehlerrate. Die resultierende Kurve ist auch
als Wasserfallkurve bekannt. Der Wert der OMA wird in Einheiten negativer dBm angegeben. Eine
weniger negative OMA entspricht somit einer größeren Differenz von P1 – P0, woraus sich ein höherer
Q-Faktor (oder SNR) ergibt. Durch Erhöhen der OMA (weniger negativ) wird die BER-Kurve nach links
verschoben. Somit ergibt sich eine zusätzliche optische Leistungsreserve aufgrund einer
verbesserten SNR. Zum Beispiel verbessert die Erhöhung der OMA von -4,01 dBm auf -3,22 dBm die
minimal erhaltene Leistung von -10,78 dBm auf -11,5 dBm bei einer BER von 10–12 (Verbesserung um
0,72 dB).
Es ist wichtig zu beachten, dass die Channel-Link-Performance direkt von der OMA des Senders
abhängt. Daher ist es angeraten, beim Testen oder Zertifizieren eines Channel-Links einen
Transceiver mit einer minimalen OMA zu verwenden, um zu gewährleisten, dass die bereitgestellten
System-Transceiver mit grenzwertiger OMA mit gleicher oder höherer Leistung arbeiten. Für die
Messung der minimalen OMA des Senders findet man in der Norm IEEE 802.3ae (10GBase-SR) eine
Tabelle, in der die minimale OMA mit den Spektralbreiten von Vertical-Cavity
Surface-Emitting-Lasern (VCSEL) in Korrelation gesetzt ist.
Nun behandeln wir den direkten Einfluss der SNR auf die Link-Performance. Dazu betrachten wir
das Senden eines optischen Bitstroms in einen MMF-Channel-Link, der als optische Leistung pin(t)
als Funktion der Zeit t dargestellt wird (Siehe Bild 4a). Die unmittelbare optische Leistung am
Null- und Eins-Bit ist vom Systemrauschen abhängig. Dazu gehören unter anderem Sendeschwankungen,
relatives Intensitätsrauschen, Modenverteilungsrauschen, Modenrauschen und Schrotrauschen im
Empfänger sowie thermisches Rauschen in der Elektronik [2]. In Bild 4a ist dies als grauer Bereich
bei p0 und p1 dargestellt.
Wenn diese Bereiche Punkt für Punkt mit einem Hochgeschwindigkeits-Abtastoszilloskop abgetastet
werden, lassen sich die Wahrscheinlichkeitsverteilungen um die Durchschnittswerte von p0 und p1
bestimmen, wie rechts in Bild 4a dargestellt. Eine Entscheidungsschwelle besteht bei p(t) = PTH.
Wenn die optische Leistung (unterhalb oder oberhalb) PTH liegt, wird das Bit als ein (Null-, Eins-)
Bit eingestuft.
Wenn ein abgetastetes Bit als Eins-Bit gesendet wurde, aber die optische Leistung als unterhalb
von PTH erkannt wurde, wird es als Null-Bit eingestuft und ist somit fehlerhaft. Dasselbe gilt für
ein abgetastetes Bit, das als Null-Bit gesendet und als oberhalb von PTH erkannt wird.
Einstufungsfehler dieser Art sind in Bild 4a grafisch als Überschneidungsfläche der
Wahrscheinlichkeitsverteilungen von Null und Eins dargestellt. In diesem Fall sind sie proportional
zur Gesamtanzahl erkannter Fehler. Die BER ergibt sich aus der Fraktion dieser
Überschneidungsfläche geteilt durch die Gesamtfläche der Verteilungen von p0 und p1.
Nachdem der Bitstrom durch den MMF-Link geführt wurde, treffen die Impulse am anderen Ende
verzerrt ein (in Bild 4b mit "Ausgang aus MMF" bezeichnet). Die Wahrscheinlichkeitsverteilungen für
p0 und p1 sind nun verglichen mit dem Zeitpunkt des Sendens dichter zusammengerückt. Somit ist die
Überschneidungsfläche größer. Da sich die Gesamtfläche der Verteilungen von p0 und p1 nicht ändert,
erhöht sich die BER.
Die Überschneidungsfläche in den optischen Leistungsverteilungen für p0 und p1 vergrößert sich
auch bei Erhöhung des Rauschens durch Erhöhen der optischen Leistung. Zum besseren Verständnis des
Einflusses des Rauschens wenden wir uns nun den optischen Beeinträchtigungen zu, die das Rauschen
zur optischen Signalleistung beiträgt. Es gibt sechs wichtige optische Beeinträchtigungen oder
optische Leistungseinbußen, die optische Channel-Links schwächen:
1. Intersymbolinterferenz (ISI)
2. Modenverteilungsrauschen (MPN)
3. Relatives Intensitätsrauschen (RIN)
4. Modenrauschen (MN)
5. Reflektionsrauschen (RN)
6. Polarisationsrauschen (PN)
Intersymbolinterferenz: Wenn ein gesendetes Signal über einen physischen Link übertragen wird,
verbreitert sich dessen Form aufgrund von Bandbreitenbeschränkungen in Sender, Faser und Empfänger
mit der Zeit. Der Impuls eines jeden Symbols verbreitert sich mit der Zeit und überlagert
benachbarte Symbole in dem Maß, dass der Empfänger nicht mehr zuverlässig zwischen Änderungen in
einzelnen Signalelementen unterscheiden kann. Diese Beeinträchtigung beeinflusst somit die
temporalen Eigenschaften der Signalimpulse und resultiert in Signalverteilung sowie zeitlichen
Schwankungen am Empfänger. ISI trägt zur größten Leistungseinbuße im physischen Link bei.
Modenverteilungsrauschen: Aufgrund von Modensprüngen in der optischen Quelle (in diesem Fall der
VCSEL) fluktuiert die Intensität jedes der transversalen Moden zufällig, während die
Ausgangsgesamtleistung konstant bleibt. Diese Fluktuation findet sowohl innerhalb eines Impulses
als auch von Impuls zu Impuls statt. Die Modensprünge verursachen zufällige Änderungen in der
Wellenlänge, die in der Faser mit verschiedenen Gruppengeschwindigkeiten übertragen werden, woraus
sich Fluktuationen in chromatischer Dispersion und Modendispersion ergeben. Dadurch entstehen
Phasenschwankungen im Signal. Die optimale Abtastzeit am Empfänger verschiebt sich somit, wodurch
zeitliche Schwankungen entstehen.
Relatives Intensitätsrauschen: Obwohl der Ruhestrom zur Laserdiode konstant gehalten wird,
fluktuiert die Ausgangsleistung in Hinsicht auf Intensität, Phase und Wellenlänge als Ergebnis
spontaner Emissionen, die eine intrinsische Eigenschaft von Lasern sind. Die spontane Emission von
Photonen unterbricht zufällig die Amplitude und Phase eines kohärenten Photons und führt somit zu
Fluktuationen in der Ausgangsleistungsintensität, die relatives Intensitätsrauschen verursachen.
Dabei handelt es sich um ein Amplitudenmodulationsrauschen.
Modenrauschen: Da die verschiedenen Moden durch eine Multimode-Faser geleitet werden,
interferieren sie konstruktiv und destruktiv miteinander und generieren somit ein so genanntes
Speckle-Muster am Ende der Faser. Das Speckle-Muster reagiert extrem empfindlich auf Änderungen im
Laserausgang, mechanische Deformation der Faser und Faserübergängen. Wenn zwei Fasern miteinander
verbunden werden und eine laterale oder axiale Verschiebung zwischen ihren Ausgängen besteht,
werden nur die Speckles, die mit dem Kern der zweiten Faser ausgerichtet sind, gekoppelt. Somit
resultieren Änderungen in der optischen Leistungsverteilung in der Faser in Fluktuationen in der
gekoppelten optischen Leistung, die dann als unerwünschte Amplitudenmodulation am Detektor
erscheint [3].
Reflektionsrauschen: Wenn Licht auf eine Diskontinuität im Brechungsindex trifft, wird eine
Reflektion und somit ein Echo verursacht. Im Falle mehrerer nahe beieinander liegender
Diskontinuitäten ergeben sich Interferenzen zwischen dem gewünschten Signal und seinen
Reflektionen, die in interferometrischem Rauschen beziehungsweise Reflektionsrauschen resultieren.
Reflektionsrauschen wird häufig mit optischen Empfängern in Zusammenhang gebracht und erscheint als
unerwünschtes Amplitudenmodulationsrauschen.
Polarisationsrauschen: Aufgrund von scheitelwinkliger symmetrischer Doppelbrechung einer
VCSEL-Laserkavität ist die Ausgangspolarisation undefiniert. Daraus ergibt sich ein relativ starker
Wechsel zwischen Polarisationszuständen. In Kombination mit Längs- und Quervariationen im
Brechungsindexprofil entlang der Fasern und Elemente, die polarisationsabhängige Verluste erfahren,
können Fluktuationen der Ausgangsintensität (Amplitudenmodulation) auftreten.
Jede dieser optischen Leistungseinbußen schwächt das Verhältnis Signal-zu-Rauschen (oder
Q-Faktor) des optischen Channel-Links durch Verursachen unerwünschter Amplitudenmodulation oder
zeitlicher Signalschwankungen am Empfänger. Es wird sich jedoch zeigen, dass das von der
Einfügedämpfung durch LWL-Steckverbinder verursachte Modenrauschen die BER-Leistung stark
beeinflusst. Die Verlustzuordnung jeder dieser Einbußen wurde mithilfe des
IEEE-802.3ae-Link-Modells berechnet und als Referenz in Bild 5 aufgeführt.
Um den Einfluss der Einfügedämpfung durch LWL-Steckverbinder oder der mechanischen Biegung der
Faser auf die BER-Channel-Link-Performance zu verstehen, muss man die Bedingungen für die
Generierung von Modenrauschen untersuchen. Folgende drei Bedingungen sind für Modenrauschen
erforderlich: (1) eine kohärente Laserquelle mit geringer Spektralweite, (2) das Vorhandensein
modaler oder räumlicher Filterung und (3) eine zeitliche Variation der modalen oder räumlichen
Filterung.
Für die Bedingungen (1) und (3) betrachten wir das Verhalten des VCSELs. Mithilfe eines
optischen Präzisionsspektralanalysators (OSA, Optical Spectral Analayzer) haben wir die
Spektralbreiten- und zeitliche Abhängigkeit der optischen Moden gemessen, die in einer
OM3-Multimode-Faser für den in unserem BER-System verwendeten VCSEL übertragen werden. In Bild 6
sind fünf OSA-Scans des VCSELs abgebildet, die in Zeitintervallen von 15 Sekunden genommen wurden.
Sie stehen als Beispiel für das beobachtete VCSEL-Verhalten. Unser VCSEL hat eine Spektralbreite
von 0,34 nm und hat zehn Transversenmoden im Bereich von 847,75 nm bis 849,5 nm.
Es wird dort zwar nicht gezeigt, aber die Spektralbreite unseres VCSEL ist ausreichend eng, um
Bedingung (1) zu erfüllen. Somit sind die übertragenen Fasermoden kohärent. Zwischen kohärenten
Moden bestehen gegenseitige Interferenzen. Diese wichtige Bedingung wird später behandelt. Eine
nähere Untersuchung der fünf Scans zeigt, dass die optische Leistung dynamisch zwischen Moden und
Polarisationszuständen wechselt. Wenn wir zum Beispiel die Scans 7 und 8 vergleichen, sehen wir
(durch Pfeile bezeichnet), dass die optische Leistung in und aus einem Modus wechselt, der bei
848,1 nm zentriert ist. In den Scans 9 und 10 beobachten wir einen Leistungswechsel zwischen
Polarisationszuständen für den Modus, der bei 848,75 nm zentriert ist. Dieses dynamische
VCSEL-Verhalten verursacht MPN und PN und erfüllt vor allen die Bedingung (3), die für die
Generierung von MN erforderlich ist.
Bild 7 zeigt zwei Speckle-Muster, die am Eingang des 10-GBit/s-BER-Empfängers ermittelt wurden.
Diese zwei Abbildungen wurden im Abstand von einer Minute erfasst. Der Unterschied im
Speckle-Muster beruht auf den Zeitvariationen der VCSEL-Ausgangmoden. In dieser Zeit gab es keine
mechanischen Änderungen am System.
Die letzte erforderliche Bedingung für die Generierung von Modenrauschen ist modale oder
räumliche Filterung, die von LWL-Steckverbindern oder mechanischen Defekten der optischen Faser
verursacht wird. Die Einfügedämpfung, die von den LWL-Steckverbindern verursacht wird, basiert
primär auf einer seitlichen Verschiebung oder einer schlechten Ausrichtung zwischen zwei
Faserkernen. Die Verschiebung ist auf schlechte Konzentrizität der Hülsenbohrung des
LWL-Steckverbinders, eine übergroße Hülsenbohrung, wo die Fasern zusammentreffen beziehungsweise
eine schlechte Konzentrizität des Faserkerns oder der Faserummantelung zurückzuführen. Messungen
von Bohrungskonzentrizität für eine große Anzahl von Hülsen von fünf führenden Herstellern zeigen,
dass seitliche Verschiebungen bei LWL-Steckverbinderschnittstellen bis zu 6 Mikron (2 s) betragen
können, was theoretisch zu einem Verlust von etwa 1,9 dB führt [4].
Beim Übergang der Moden von MMF 1 zu MMF 2 (Bild 8) werden nur diejenigen Speckles in diese
Faser übertragen, die mit dem Kern von MMF 2 übereinstimmen. Die optische Leistung, die nahe der
Schnittstelle zwischen Kern und Ummantelung der Eingangs-Multimode-Faser (MMF 1) übertragen werden,
gelangen in die Ummantelung von MMF 2 und gehen somit verloren. Eine
LWL-Steckverbinderschnittstelle mit fester Verschiebung trägt zu Verlusten bei. Die Verluste hängen
jedoch von Änderungen in den Quellenausgangsmoden und physischen Verzerrungen der Faser in den
Regionen vor der schlecht ausgerichteten LWL-Steckverbinderschnittstelle ab. Die durchschnittliche
Dämpfung der Schnittstelle ist die Einfügedämpfung des LWL-Steckverbinders und wird im modalen
IEEE-Link-Modell als IL bezeichnet. Dieselbe schlechte Ausrichtung, die für die Einfügedämpfung
verantwortlich ist, dämpft selektiv nur die Moden höherer Ordnung, die in den äußeren Regionen des
Kerns übertragen werden (MSL). Moden niederer Ordnung gehen in Bereiche nahe der Kernmitte und sind
somit nicht von schlechter Kernausrichtung betroffen. Daher resultieren die Wechsel in der Leistung
in einer Amplitudenmodulation in MMF 2, was am Detektor als selektive Modendämpfung auftritt.
Die selektive Modendämpfung kann als räumliche Filterung gelten und erfüllt somit die dritte für
die Generierung von Modenrauschen erforderliche Bedingung. Es besteht kein Zweifel daran, dass MN
zur Link-Schwächung beiträgt. Die Frage ist, in welchem Ausmaß dies geschieht. In Bild 9 zeigen wir
unsere experimentellen Ergebnisse von achtzehn aufeinander folgenden BER-Messungen für eine
einzelne 2750-MHz/km-OM3-Faser von 300m Länge mit zwei Eingangs-LWL-Steckverbindern, die eine
selektive Modendämpfung verursachen. Eine Untersuchung jeder der BER-Abbildungen zeigt eine große
zeitliche Abhängigkeit, wobei die BER bei optischer Leistung oberhalb von -9,0 dBm um fast drei
Größenordnungen variiert. Eine BER-Systemleistung von 10–12 ist bei optischer Leistung im Bereich
von -9,25 dBm bis -8,0 dBm erreicht, und die Systemleistung ändert sich innerhalb von Minuten. In
diesem Fall würde der Link die Anforderungen von 802.3ae nicht erfüllen, in der ein Minimum von
-9,9 dBm empfangener Leistung vorgesehen ist. Zur Erreichung niedriger Bitfehlerraten kann die
Erfassung jedes Messdatenpunktes bis zu 20 Minuten und die Erfassung jeder Kurve bis zu vier
Stunden in Anspruch nehmen.
Die Generierung von Modenrauschen aufgrund von selektiver Modendämpfung kann auch durch das
Einführen kurzer Patch-Kabel erfolgen, die mit der zu testenden Faser verbunden sind und deren
Ausrichtung veränderbar ist. In dieser Testkonfiguration verursachten wir absichtlich eine
Verschiebung der Faser für Verluste von 0,19 dB, 0,95 dB und 1,7 dB. Wir sehen, dass bei Erhöhung
der seitlichen Verschiebung zwischen den Faserkernen die BER-Leistung geschwächt und ein Rauschen
erzeugt wird (Bild 10). Zur Reduzierung von Messabweichungen aufgrund von Modenrauschen stellt jede
der abgebildeten Kurven den Durchschnitt von zwölf aufeinander folgenden Messungen dar. Im
experimentellen Aufbau haben die Fasern keinen physischen Kontakt zueinander. Somit existiert eine
axiale Trennung zwischen zwei Fasern, die zur räumlichen Filterung beiträgt. Daher zeigen die
BER-Ergebnisse sowohl axiale als auch seitliche Modenfilterung. Es ist wichtig anzumerken, dass der
eingekreiste Fluss unseres BER-VCSELs den Standards für 10 GBit/s Ethernet entspricht und wir somit
eine eingeschränkte Modenstartbedingung haben. Durch Überflussstartbedingungen wird mehr
Modenrauschen generiert. Eine genaue Analyse des Augendiagramms zeigt, dass das Rauschen die
optische Leistungsebene der logischen Eins dominiert, was charakteristisch für Modenrauschen ist
[3].
Selektive Modendämpfung kann auch durch Mikro- und Makrobiegung der Faser begründet sein. In
Bild 11 zeigen wir die Änderung der BER für LWL-Channel Links von 300m und 550m Länge mit und ohne
Wicklung (eine Runde) um eine Spindel von 5mm Durchmesser. Wir haben 5mm gewählt, um die Biegung
einer Faser um eine zur häufig zur Leitungsführung von optischen Kabeln verwendete Gitterrinne zu
simulieren. Eine Makrobiegung der Faser verursacht Modenfilterung durch Dämpfung höherer Moden, die
in der Faser übertragen werden, und führt somit zum selben Endergebnis. BER-Messungen für
Mikrobiegung der Faser zeigen ähnliche Ergebnisse.
Obwohl MSL die Link-Performance zum Teil beträchtlich reduziert, lässt sich der Einfluss von MSL
auf das Modenrauschen minimieren. Die Verwendung qualitativ hochwertiger LWL-Steckverbinder mit
geringen Verlusten kann den Einfluss durch geringe selektive Modendämpfung verringern und somit das
Modenrauschen senken. Um dies darzustellen, haben wir zwölf qualitativ hochwertige SC-Patch-Kabel
am Eingang einer OM3-Faser von 300m Länge verkettet. Damit ergibt sich eine kombinierte
Einfügedämpfung von 0,9 dB. Für einen einzelnen LWL-Steckverbinder mit einer Einfügedämpfung von
0,9 dB haben unsere Experimente eine messbare Verschlechterung der BER-Leistung aufgrund von MSL
gezeigt. Bei LWL-Steckverbindern mit niedrigen Verlusten trägt jeder LWL-Steckverbinder nur eine
geringe Verschiebung bei. Somit ist die MSL minimal. In Bild 12 zeigen wir die BER-Leistung für
eine 2750-MHz/km-Faser von 300m Länge mit und ohne zwölf verkettete Patch-Kabel. Die Änderung der
Leistung ist geringer als 0,5 dB bei einer BER von 10–12.
Nun betrachten wir die Verwendung von Hochleistungs-MMF mit EMBc von mehr als 4700 MHz/km, die
auch Enhanced-OM3-Faser heißt. Die Enhanced-OM3-Faser weist geringeres Modenrauschen auf und trägt
somit weniger ISI zum Channel Link bei. In Bild 13 zeigen wir die ISI-Leistungseinbußen als
Funktion der Faserreichweite für vier EMBc-Bandbreiten. Die Kurven sind mithilfe des
IEEE-Link-Modells für 10 GBE berechnet.
Die Differenz in ISI-Einbußen zwischen 2000-MHz/km- und 4700-MHz/km-Faser für eine
Channel-Reichweite von 300m beträgt 1,67 dB. Daraus könnte man ableiten, dass eine zusätzliche
optische Leistungsreserve zum Einsatz von weiteren LWL-Steckverbindern oder LWL-Steckverbindern mit
höherem IL zur Verfügung stehen würde. Die Ergebnisse unseres Experiments unterstreichen jedoch die
Wichtigkeit, die Minimierung der selektiven Modendämpfung wie auch der Makro- und Mikrobiegung des
Faserkabels anzustreben. Die Erhöhung der Anzahl von LWL-Steckverbindern oder die Verwendung von
LWL-Steckverbindern mit hohem IL kann durch Erhöhung des Modenrauschens einen negativen Einfluss
auf die Channel-Performance haben. In der Praxis würde dies einen Tausch von ISI gegen MN bedeuten.
Es ist daher empfehlenswert, beim der Planung eines optischen Channels nicht deshalb die
höherwertigen Enhanced-OM3-Fasern zu verwenden, um einfach nur die Anzahl der LWL-Steckverbinder im
Link erhöhen zu können.
Zusammenfassung
Wir haben seit 2003 die BER-Leistung von optischen 10-GBit/s-MMF-Channel-Links untersucht und
dabei mehrere wichtige Beobachtungen gemacht. Eine hohe Einfügedämpfung durch LWL-Steckverbinder
und starke Mikrobiegung der Faser kann bedeutende räumliche Filterung verursachen, die selektiv
höhere Moden dämpft, die in der MMF übertragen werden. Diese Bedingung in Kombination mit der
VCSEL-Laserquelle und Fluktuationen der Modenausgangsleistung des VCSELs resultiert in einer
unerwünschten Amplitudenmodulation (Modenrauschen) am optischen Empfänger. Es zeigt sich, dass das
Modenrauschen für einen 10-GBit/s-Ethernet-Link den Q-Faktor und das Verhältnis vom Signal zum
Rauschen reduzieren kann, somit eine Überschneidung der optischen Leistungsebenen für logisch 0 und
1 verursacht sowie die BER-Leistung des Links verschlechtert.
Es ist folglich wichtig, einen 10-GBit/s- Ethernet-MMF-Channel-Link mit qualitativ hochwertigen
LWL-Steckverbindern und -Fasern aufzubauen. Außerdem ist sorgfältig darauf zu achten, die
Biegeradien während der Installation zu einzuhalten. Wenn diese Ratschläge nicht befolgt werden,
kann dies zu einem System mit hoher räumlicher Modenfilterung und erhöhtem Modenrauschen im Link
führen. Dies gilt insbesondere beim Einsatz von vorkonfektionierten Kassettenlösungen, die MPO/MTP
und andere LWL-Steckverbinder enthalten.
Obwohl die Verwendung von Fasern mit höherer Bandbreite (Enhanced OM3) zusätzliche optische
Leistungsreserven bietet, gilt die Empfehlung, diese zusätzlichen Leistungsreserven nicht zugunsten
schlechterer Einfügedämpfung der LWL-Stecker zu verwenden, sondern sie für die nächste Generation
von Netzwerkarchitekturen zu reservieren.
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