La fibra multimodo insensible a la curvatura (BI-MMF) ha sido un tema frecuente de discusión en la industria del cableado estructurado para empresa. Varios fabricantes han introducido fibras diseñadas para aplicaciones de curvado ajustado, y uno ha convertido toda su producción de multimodo de 50 µm a BI-MMF.

Sin embargo, hay debates en curso en foros normativos y simposios técnicos sobre las ventajas e inconvenientes de estas fibras. ¿Aportan valor a los centros de datos o las aplicaciones empresariales? ¿Son necesarias? ¿Han sido investigadas a fondo estas fibras? ¿Son las fibras BI-FMM capaces de soportar aplicaciones de altas velocidades de 10, 40 y 100 Gb/s en las mismas distancias de enlace que las fibras de estándar OM3 y OM4? Este artículo trata de responder a estas preguntas.

¿Qué es diferente en las fibras insensibles a la curvatura?
¿Qué hace que una fibra multimodo sea insensible a la curvatura? BI-MMF no es simplemente un estándar de fibra multimodo con una menor pérdida de curvatura. Es un nuevo diseño de fibra que altera la región de guía de la luz, o “guía de onda”, para mejorar el rendimiento en la pérdida de curvatura (macrocurvatura). Esto se realiza mediante la colocación de una zanja alrededor del núcleo de la fibra, cambiando las propiedades de la luz guiada (ver Figura 1).
Cambiar la guía de onda de la fibra óptica es un proceso complejo que afecta a muchas otras propiedades de la fibra, que a su vez debe ser optimizada. En realidad, los cambios realizados para mejorar la pérdida de la curvatura a menudo degradan otras propiedades —incluyendo el ancho de banda y la pérdida de conexión— que influye en el rendimiento del sistema. La pregunta clave es: ¿El despliegue de la fibra multimodo insensible a la curvatura mejora el rendimiento de un enlace instalado de fibra multimodo?

FS y otros fabricantes han examinado los cambios realizados para mejorar el rendimiento de la curvatura, y el resultado tiene ventajas y desventajas. Los estudios han demostrado que la insensibilidad a la curvatura puede tener un alto costo, tanto en ancho de banda como en pérdida de la conexión. Para empeorar las cosas, los requisitos de las normas vigentes, especialmente las de ancho de banda optimizado para láser, no tienen en cuenta los cambios realizados en la guía de onda de la fibra BI-MMF. Esto puede llevar a sistemas con peor rendimiento del que se esperaría con los métodos actuales para estimar el ancho de banda láser de la fibra.

Curvas cerradas y dobleces en un jumper de 1,6 mm o 2,0 mm pueden tener un efecto negativo en la fiabilidad mecánica del enlace. Los estudios han demostrado que las dobleces agudas en un jumper (como las que se podrían producir cuando un jumper está cerca de una  puerta de armario) pueden dar lugar a roturas de fibras. El fomento de las prácticas de instalación que se traducen en curvas cerradas y dobleces mediante el uso de fibras BI-MMF en un centro de datos es peligroso mecánicamente e innecesario. Los sistemas modernos de gestión de cables y las prácticas comunes de fácil instalación permiten alta densidad con fiabilidad.
Hoy las fibras BI-MMF pueden reducir el rendimiento del sistema en aplicaciones de centros de datos y empresas. Por lo tanto, las fibras estandarizadas OM3 y OM4 de alto rendimiento  son mejores opciones para redes de empresa de alta velocidad y centros de datos.

Un análisis detallado
Como las fibras BI-MMF no han sido estandarizadas todavía por la industria, puede ser difícil definirlas con precisión. Sin embargo, una definición general de fibra  BI-MMF sería útil antes de discutir las ventajas y desventajas que se requiere en la fabricación de esta fibra. Se ha sugerido que este nuevo tipo de fibra debe tener los siguientes atributos de macrocurvatura:

< 0,1 dB a 850 nm con 2 vueltas alrededor de una mangera con radio de
15 mm.
< 0,2 dB a 850 nm con 2 vueltas alrededor de una manguera con radio de 7,5 mm.

La fibra BI-MMF fue desarrollada para simplificar la gestión del cableado. El objetivo del nuevo diseño era reducir la pérdida de curvatura, manteniendo todas las especificaciones que figuran actualmente para la fibra multimodo OM2, OM3 y OM4. Sin embargo, las normas existentes de fibra y los estándares en los sistemas fueron desarrollados para una fibra multimodo con una guía de ondas tradicional. BI-MMF, con su zanja añadido, tiene una guía de onda diferente. Como resultado, muchas de las medidas y normas vigentes no describen o predicen con exactitud el rendimiento de BI-MMF. Es importante señalar que, a diferencia de la fibra monomodo, un mejor rendimiento de macrocurvatura en fibra multimodo no conducen a un mejor rendimiento de microcurvatura. El cambio a BI-MMF no mejorará el rendimiento de microcurvatura demandado en algunos diseños de cableado.

Evolución del estándar Ethernet (y otras normas de redes de datos) ha dado lugar a un aumento de las tasas de datos y una menor pérdida de inserción de canal para enlaces de corto alcance. La pérdida de inserción de canal incluye muchas propiedades, como la atenuación del cable, la pérdida de conexión, y la pérdida de macrocurvatura. BI-FMM tiene una mayor pérdida de conexión cuando se conecta a fibra multimodo estándar (ver Tabla 1). Simplemente reducir la pérdida de macrocurvatura ofrece poco beneficio si otros contribuyentes a la pérdida de enlace aumentan. Si el objetivo es minimizar la pérdida de enlace, no es lógico “negociar” una mayor pérdida de conexión predeterminada (y pérdida de enlace) para protegerse contra una posible curvatura aguda que puede prevenirse mediante la apropiada gestión del cableado, y también podría introducir un punto de fallo mecánico con un punto de torsión bajo tensión.

Cambiando la forma en que viaja la luz
Debido a la zanja, la luz es guiada de forma diferente en BI-MMF que en la fibra estándar. Debe hacer esto con el fin de disminuir la cantidad de luz perdida en un macrocurvatura. Para ver esta diferencia, es importante entender que los modos cuando se propagan en fibras ópticas multimodo se pueden clasificar como:
•    Modos guiados: modos que tienen un índice de eficacia mayor que el índice de revestimiento.
•    Modos defectuosos: modos que tienen un índice de eficacia menor que el índice de revestimiento (estos se denominan a menudo como “modos de revestimiento” o “cladding modes”).

Cuando la luz viaja más cerca de la interfase núcleo/revestimiento, los modos están menos fuertemente unidos en el centro y es más fácil que sean desviados por un macrocurvatura en una fibra estándar. Estos modos guiados de orden superior se pueden clasificar como modos guiados debilmente. Añadiendo una zanja alrededor del núcleo de las guías de fibra óptica estos modos de orden superior con mayor eficacia, crean una fibra multimodo con un rendimiento mejorado en macrocurvatura. La zanja también puede conducir a un desafortunado efecto secundario: los modos defectuosos, que no se propagan en una fibra estándar, se pueden propagar varios cientos de metros en una fibra BI-MMF y deben tenerse en cuenta en los cálculos de pérdida de conexión y en los de ancho de banda (ver Figura 2). La dificultad en medir la pérdida de conexión de la fibra BI-MMF es en gran parte debido al desafío de la adecuada contabilización de los dos modos defectuosos y la luz que ahora está fuertemente ligada en los modos de orden superior.

Añadir modos de orden superior más fuertemente ligados y modos con fugas puede tener graves consecuencias en el rendimiento del sistema. Descuidar estos modos en una fibra   BI-MMF puede dar lugar a expectativas de rendimiento excesivamente optimistas del sistema. Estos modos pueden no ser tomados en cuenta en el desarrollo es estándares de fibra optimizada para láser porque la luz estaba muy mal guiada. Con la incorporación de la zanja, estos modos se deben incluir en los cálculos de ancho de banda, y las normas necesitan tener en cuenta la diferencia de cómo la fibra  BI-MMF guía la luz. La práctica de dejar de lado estos modos en una fibra  BI-MMF, según lo sugerido por algunos fabricantes, puede llevar a una determinación incorrecta del ancho de banda modal para sistemas basados en láser.

Midiendo el ancho de banda en fibra insensible a la curvatura
Los requisitos de ancho de banda para alta velocidad, en redes de corto alcance han evolucionado desde los primeros días de diodos emisores de luz (LED) a  láseres de cavidad vertical de emisión por superficie (VCSEL).
Con cada aumento sucesivo de la velocidad de transmisión, los requisitos de ancho de banda para fibra multimodo se han incrementado y las previsiones de pérdidas se han ajustado más. La fibra BI-MMF puede mejorar la previsión de la pérdida en situaciones donde se encuentran curvaturas cerradas (en función de la pérdida añadida por la conexión), pero ¿cómo afecta al ancho de banda?

La capacidad de carga de datos de una fibra multimodo es una función de su ancho de banda modal. Las especificaciones de ancho de banda modal en los estándares IEEE 10G, 40G y 100G Ethernet, se han desarrollado sobre la base de un sofisticado modelo prediciendo el comportamiento del lanzamiento de un VCSEL con una guía de onda de fibra multimodo estándar. Estos requisitos se tradujeron luego en las especificaciones TIA que se utilizan para asegurar que la fibra OM3 tendrá 2000 MHz/km y que la fibra OM4 tendrá 4.700 MHz/km de ancho de banda modal en los sistemas implementados. Sin embargo, los modelos utilizados para desarrollar las especificaciones de ancho de banda en la TIA no son válidos para fibras BI-MMF, donde la luz es guiada de forma diferente en la fibra. Por lo tanto, el rendimiento del ancho de banda de estas fibras BI-FMM no está definido en las redes actuales de alta velocidad. Esta es una de las mayores preocupaciones con fibras BI-MMF.

Cuando la medida de la dispersión del pulso (DMD)  y el modelo de los sistemas de ancho de banda se desarrollaron para determinar el ancho de banda de la fibra multimodo, se suponía que sólo los primeros 18 grupos de modo se propagarían en la fibra, y que el grupo de modo número 18 sería muy atenuado. Por lo tanto, la simulación de modelos para anchos de máscara EMB y DMD usó sólo 17 grupos de modo. Las fibras BI-FMM propagan ambos, grupos de modo guiado y con fugas,  que no se tienen en cuenta en los actuales cálculos de ancho de banda optimizados para láser, y estos modos pueden degradar significativamente el ancho de banda si son ignorados. El resultado potencial: un ancho de banda modal que es significativamente menor de lo esperado, dando lugar a márgenes de enlace bajos o incluso fallos en el sistema.

Para ilustrar este problema, se examinaron las DMDs de las cuatro fibras disponibles en el mercado que cumplen claramente los 4700 MHz/km de ancho de banda modal efectivo calculado (EMBC) requerido para OM4 (ver Figura 3).
Todas las fibras tenían habían anchos de banda EMBC comparables, pero la fibra número 4 falló el método de máscara DMD para determinar el ancho de banda de la fibra multimodo OM4. Tanto la fibra número 3 como la fibra  número 4 tenían un pobre control de orden superior de modo, lo que indica un mal control de la deposición del núcleo de la fibra cerca de la interfaz del núcleo/revestimiento.

Cuando se inserta en un enlace 550m 10 Gb/s, las fibras 3 y 4 tuvieron un rendimiento pobre, mientras que la fibra 1 y 2 tuvieron un rendimiento esperado para fibra OM4. La Figura 4 muestra que las penalizaciones del sistema para las fibras con el mal control de orden superior de modo son significativamente mayores que para las fibras con un buen control de todos los modos. Esta variación en el rendimiento indica que se necesita un trabajo importante para clasificar correctamente el ancho de banda en las fibras BI-FMM. Los modos de orden superior (17, 18 y los grupos de mayor modo) que se propagan en las fibras BI-FMM puede hacer el rendimiento del sistema mucho peor de lo previsto por las normas vigentes.

Los valores de ancho de banda de OFL ilustran la utilidad de este parámetro para garantizar el rendimiento del sistema, pero el requisito actual de 3500 MHz-km puede no ser suficiente para visualizar fibras BI-FMM, debido a su comportamiento de orden superior de modo. La fibra 4 tiene un buen EMBc, pero falla en el ancho de banda OFL, y tiene un rendimiento deficiente del sistema. La fibra 3 tiene ancho de banda OFL marginal y rendimiento deficiente del sistema, mientras que las dos fibras con valores OFL altos (> 5000 MHz/km) tienen un rendimiento muy bueno del sistema.

A medida que se propagan más modos, se hace más difícil alcanzar altos anchos de banda. Esto llevó a la transición del mercado de fibra desde fibra 62,5/125 µm hasta fibra 50/125 µm; menos modos para controlar han permitido desarrollar una fibra de mayor ancho de banda. Esto permitió al ancho de banda aumentar desde 160 MHz/km necesarios para FDDI, hasta más de 2000 MHz/km a 850 nm (OM3), y a 4700 MHz/km de fibra OM4 requerido por las normas actuales de Ethernet. Con grupos de modo de orden superior, más fuertemente guiados y modos de fuga adicionales, BI-MMF puede ser un paso en la dirección equivocada en nuestro empeño hacia los 100 Gb/s Ethernet con 25 Gb/s de carril y 32 Gb/s Fibre Channel.

Fiabilidad mecánica
La fiabilidad mecánica de un jumper de fibra óptica puede ser afectada negativamente por el radio de curvatura. La fiabilidad del enlace no sólo depende de la solidez óptica, sino también de la resistencia mecánica de los componentes. Las fibras BI-FMM tienen las mismas propiedades mecánicas que la fibra estándar y las curvaturas cerradas incontroladas, pueden causar un fallo mecánico. En otras palabras, un punto de torsión sobre un borde de la plataforma, o un jumper atrapado en una puerta de un armario, aumenta significativamente la posibilidad de un fallo mecánico (curvaturas de este tipo pueden acercarse a 2 mm o menos radio de curvatura).

En las fibras monomodo insensibles a curvaturas, esto fue solucionado por un diámetro significativamente mayor, 4,8 mm. Lo que limita el radio de curvatura de la fibra a aproximadamente 5,0 mm. Sin embargo, con un revestimiento de 2,0 mm, los radios mínimos de curvatura pueden ser considerablemente menores. Los estudios demuestran que los radios de curvatura de 2,0 mm o menores, tienen una gran probabilidad de fracaso. Cualquier tensión en la fibra crea un estrés adicional y acelera la tasa de fallo mucho más allá de los que se muestra en la Tabla 2. La suma de dos libras más de tensión aumenta la probabilidad de fallo al 100% en un año (Figura 5).

Aumentar la fiabilidad óptica no proporciona ningún beneficio para el usuario final si se compromete la fiabilidad mecánica con una mala instalación. De hecho, se puede argumentar que es beneficioso para una fibra estándar, mostrar una alta pérdida en los sistemas con curvaturas muy ajustadas, lo que obliga al instalador a corregir estas malas instalaciones para ayudar a asegurar la robustez del sistema durante la vida útil esperada. Un fallo inesperado en el enlace seis meses después de la instalación y una mejora del sistema  podría causar consecuencias catastróficas en los actuales centros de datos de alto rendimiento.

Conclusión
Hay muchas preguntas importantes sobre las fibras multimodo insensibles a curvaturas. Cuestiones relativas a la compatibilidad con sistemas anteriores y al rendimiento del ancho de banda deben ser resueltas antes de que se produzca la implementación generalizada de esta fibra. La fiabilidad del sistema, incluyendo la fiabilidad mecánica, es de una importancia crítica para los clientes empresariales. Grupos normativos tales como TIA son un excelente foro para el estudio de fibras BI-FMM y la definición de su rendimiento. Estos grupos de la industria pueden asegurar que actuales y nuevas normas evalúan con precisión y verifican el rendimiento de las fibras multimodo de nueva generación. Mientras tanto, el riesgo de la incertidumbre en el rendimiento de la fibra BI-MMF sobrepasa el limitado beneficio que esta aporta a los sistemas de cableado de empresa.

Autor:

John Kamino, Gerente de Producto de OFS, y David Mazzarese, Director de Marketing Técnico de OFS.

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