La fibra OM4 es una fibra multimodo optimizada para laser, de 50 µm con mayor ancho de banda. Está diseñada para mejorar la relación costo-beneficio del sistema habilitado por láseres de cavidad vertical de emisión por superficie de 850 nm (VCSEL) para las actuales aplicaciones de 1 y 10 Gb/s, así como los futuros sistemas de 40 y 100 Gb/s.

Soportando aplicaciones Ethernet, FibreChannel y OIF, la fibra OM4 permite un alcance mayor de 550 metros a 10 Gb/s para backbones extra largos en edificios y backbones de campus de media distancia. Ofrece un ancho de banda modal efectivo (EMB) de 4700 MHz-km, más del doble que la norma IEEE para soporte de 10 Gb/s en 300 metros.
Para ayudarle a utilizar esta avanzada fibra con la máxima ventaja, este artículo describe la tecnología detrás de la fibra OM4, destacando las principales diferencias con otros tipos de fibras, y explicando cómo su gran ancho de banda está garantizado a través de los métodos de medición más rigurosos.

 

Fundamentos de la fibra multimodo
En comparación con las fibras monomodo, las fibras multimodo tienen mayores núcleos que, como su nombre indica, guían varios “modos” o rayos de luz al mismo tiempo. Modos que viajan al extremo exterior del núcleo tienen una distancia mayor para atravesar que los modos que viajan cerca del centro.
El perfil del índice graduado del núcleo se ha diseñado para disminuir los modos que tienen una distancia más corta para atravesar, a fin de que todos los modos lleguen al extremo de la fibra lo más a la par posible en el tiempo. Esto disminuye la dispersión del pulso, también conocida como DMD, y maximiza el ancho de banda, que es la cantidad de información que puede viajar a través de la fibra por unidad de tiempo.
Además de su gran núcleo, las fibras multimodo tienen una gran apertura numérica (NA), el ángulo máximo al que una fibra puede aceptar la luz que se transmite a través de ella. Esto les permite trabajar con un costo relativamente bajo de componentes ópticos y fuentes de luz tales como diodos emisores de luz (LEDs) y VCSELs.

Opciones de fibra multimodo
Los productos multimodo se identifican por el OM (“óptica multimodo”) designación tal y como se indica en el estándar internacional de cableado ISO/IEC 11801 (ver tabla 1).
La fibra OM4 es el último desarrollo en esta serie. Es especialmente adecuada para centros de datos de corto alcance y aplicaciones de computación de alto rendimiento, donde las pérdidas ópticas previstas están ajustadas a 10 Gb/s (y se prevee estén más ajustadas a 40 Gb/s y 100 Gb/s). El gran ancho de banda proporcionado por la fibra OM4 cuando se despliega en menor distancia que su distancia nominal ofrece un “margen de maniobra” extra para la pérdida de inserción de canal.

OM4 es compatible con aplicaciones que requieren ancho de banda OFL de al menos 500 MHz-km a 1300 nm (por ejemplo, FDDI, IEEE 100BASE-FX, 1000BASE-LX, 10GBASE-LX4, y 10GBASE-LRM).
Las últimas ofertas en fibra multimodo son las fibras multimodo de 50 micras insensibles a la curvatura (BIMMF). Estas fibras se han promocionado ofreciendo todas las ventajas de la fibra multimodo de láser optimizado con gran ancho de banda, con la ventaja añadida de una  sensibilidad más baja a la curvatura.
Sin embargo, trabajos recientes han señalado algunos motivos de preocupación con estas fibras. Los estudios han identificado problemas con la caracterización de las fibras insensibles a las curvaturas, y se han preguntado si los requisitos actuales son adecuados para garantizar el rendimiento del sistema. Otros estudios han mostrado que la pérdida en la conexión de las fibras BIMMFs con las fibras estándar es mayor que con fibras estándar conectadas con otras fibras estándar. Esta pérdida adicional se suma a la pérdida total del enlace.
Se ha propuesto que las organizaciones de estándares realicen una revisión exhaustiva de las fibras BIMMFs, y la incorporen a los estándares industriales. Hasta que se realice esta tarea, se aconseja tener precaución antes de que la adopción generalizada se lleve a cabo.

¿Qué hace diferente a la fibra OM4?
Al igual que la fibra multimodo OM3, la fibra OM4 se considera que es “optimizada para láser”, u optimizada para su uso con fuentes de luz VCSEL. Las fibras OM3 y OM4 están diseñadas y fabricadas de tal manera que puedan sacar el máximo rendimiento de VCSEL en comparación con LEDs. Por esto las fibras optimizadas para láser están especificadas usando ancho de banda láser, o EMB. La fibra OM2, aunque es compatible con VCSEL, no se considera que está optimizada para láser. La fibra OM2 está diseñada para uso con fuentes de luz LED a una velocidad de 10 o 100 Mb/s, o en redes de corto alcance de 1 Gb/s. Se puede utilizar fibra OM2 con VCSEL, pero su rendimiento está limitado a 550 metros a 1 Gb/s, y sólo 82 metros a 10 Gb/s, en comparación con el alcance de la fibra OM4  de más de 1000 metros a 1 Gb/s y 550 metros a 10 Gb/s.

Como se mencionó, la velocidad a la que cada modo viaja por un núcleo de fibra multimodo depende de su índice de refracción, que se rige por la cantidad de dopantes químicos de Germanio de ese lugar en el núcleo. Debido a que los modos que viajan al centro del núcleo tienen menos distancia para viajar que los que viajan al extremo, el perfil del índice de refracción de una fibra multimodo debe ser “graduada” de una forma parabólica a través del núcleo. Esto ralentiza los modos que tienen una distancia más corta para viajar, igualando el tiempo de llegada de todos los modos.
Cuanto más estén igualados los modos, mayor será el ancho de banda de la fibra. Igualar los modos depende de cómo de bien sea construido el perfil del índice graduado durante la fabricación de la fibra. Cuanto más preciso sea el perfil de índice de refracción en términos de forma, curvatura y suavidad (libre de caídas, picos o defectos), mejor se igualarán los modos  (ver Figura 1).

La fibra OM4, con su mayor ancho de banda, tiene un perfil de índice de refracción extremadamente preciso, prácticamente libre de perturbaciones o defectos.

Con el fin de hacer una fibra tan precisa, es necesario realizar un proceso de fabricación que tenga un control excepcional sobre la cantidad de Germanio que se incorpora en posiciones submicrónicas en particular, dentro del núcleo de la fibra. Un ejemplo de un proceso que se presta a este nivel de control es el proceso MCVD propiedad de OFS, en la que cada capa del núcleo se deposita y sinteriza de forma individual, proporcionando la máxima precisión y uniformidad del índice de refracción.

Normas de la fibra OM4
Dos normas definen el uso de la fibra OM4 en redes de alta velocidad: documento del TIA TIA-492AAAD, que contiene las especificaciones de rendimiento de la fibra OM4 y el estándar internacional IEC 60793-2-10, que proporciona especificaciones equivalente de OM4 en el tipo de fibra A1a.3 . La norma ISO / IEC 11801 añadirá a la fibra OM4 como un tipo de fibra reconocida  por la industria y la IEEE 802.3ba para Ethernet  40G y 100G incluirá la fibra OM4 como una opción que ofrece un alcance de 150 metros (50 por ciento mayor que la OM3).

Hubo una discusión y debate dentro de los grupos normativos sobre el requisito de ancho de banda OFL requerido para 850 nm. Aunque las aplicaciones actuales utilizan principalmente láseres VCSEL de 850 nm con fibras que se especifican a un mínimo EMB, había buenas razones para establecer también una mínima especificación de 850 nm de ancho de banda OFL. Se ha demostrado que las fibras con mayor ancho de banda OFL obtendrán mejores resultados con VCSELs que incrementar la potencia en los modos externos. Es por eso que los actuales estándares de fibra OM3 requieren un mínimo de 1.500 MHz-km de ancho de banda OFL a 850 nm.
Para fibra OM4, OFS y otros en el grupo de normas recomiendan mucho por lo menos 3500 MHz-km de ancho de banda OFL a fin de garantizar el máximo rendimiento y fiabilidad, que últimamente, es la especificación que se acordó.

Medición de ancho de banda láser
El rendimiento de ancho de banda de la fibra OM4 se garantiza utilizando los mismos criterios que la fibra OM3, pero para especificaciones más estrictas. Debido a un desafío planteado cuando el ahora familiar VCSEL se introdujo por primera vez, los nuevos métodos de medida tuvieron que ser desarrollados para comprobar el ancho de banda láser de las fibras OM3 y OM4.
A diferencia de un LED, un láser VCSEL produce una salida de energía que no es uniforme,  puede cambiar drásticamente por toda la faz de la salida. Es más, cada láser llena un conjunto diferente de haces de luz en cada fibra, y lo hace con diferentes cantidades de energía en cada haz. Las mediciones sobrellenadas de ancho de banda, utilizadas para medir el ancho de banda LED, no pueden emular el funcionamiento de un VCSEL.
Las normas permiten dos formas de medir y verificar el ancho de banda del láser: el método de la máscara DMD, y el método EMBc. Ambos métodos requieren pruebas DMD, la diferencia está en cómo los datos DMD se utilizan e interpretan.

En la prueba DMD, pulsos láser pequeños y de alta potencia se transmiten a través de la fibra en pequeños pasos a través de todo el núcleo de la fibra. Sólo unos pocos modos se excitan a cada paso, y sus tiempos de llegada se registran. La DMD de la fibra es la diferencia entre los primeros y los últimos tiempos de llegada de todos los modos en todas las etapas.
La medición DMD es actualmente el único método fiable para verificar el ancho de banda requerido para un rendimiento de 10 Gb/s, porque es el único método que comprueba independientemente todos los modos a través del núcleo de la fibra. Por esa razón, las asociaciones industriales, tales como TIA/EIA e ISO/IEC han publicado normas para la medición de DMD y especificaciones DMD para fibra multimodo optimizada para láser.

El método de máscara DMD es un proceso simple que compara directamente los resultados de las pruebas DMD  contra un conjunto de especificaciones (llamadas plantillas o máscaras) para ver si la fibra tiene el rendimiento necesario.

Éste es un enfoque gráfico directo para asegurar que los pulsos de datos no se extienden demasiado más allá del período bit 10 Gb/s requerido. Si la fibra pasa estas especificaciones DMD, entonces puede estar seguro de por lo menos 2000 MHz-km EMB no importa qué VCSEL utilice (siempre y cuando el VCSEL sea compatible).
El método EMBc es un proceso indirecto y más complejo. Toma los resultados DMD y los compara con un conjunto de “funciones de ponderación” teóricas que pretenden representar las distribuciones de lanzamiento de todos los VCSEL compatibles.

Los resultados DMD son combinados matemáticamente con cada una de las 10 funciones de ponderación. Esto produce 10 valores EMBc diferentes, el más bajo se llama minEMBc. El valor minEMBc se multiplica por un factor de 1,13 para obtener el valor EMB de la fibra. Si este valor EMB es > 2000 MHz-km, la fibra se considera que cumple con los requisitos de OM3 y por lo tanto, debería soportar 300 metros a 10 Gb/s.

Debido a todos los cálculos complejos que requiere el método EMBc, y el hecho de que las funciones de ponderación sólo representan una muestra de las características de lanzamiento de muchos VCSELs que en realidad podría ser utilizados en un sistema real, el método EMBc no proporciona el mismo escrutinio en calidad y rendimiento de la fibra como la técnica de máscara DMD. Es más, el método EMBc prácticamente ignora la región central 0 - 5 micras (radial) del núcleo de una fibra porque las funciones de ponderación ponen poco énfasis en esta región.

Conclusión
La fibra OM4 proporciona el rendimiento de próxima generación de fibra multimodo para las aplicaciones de alta velocidad de hoy y del futuro. Con su ancho de banda mucho mayor, los diseñadores y operadores de redes pueden estar seguros de que la fibra multimodo seguirá ofreciendo las soluciones más rentables para las aplicaciones de corto alcance en los centros de datos y redes de área local.

Autor:

Tony Irujo, Ingeniero de Ventas de OFS

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