3.3.2.7 Beperkingen glasvezel

De zeer hoge transportsnelheid van glasvezel heeft te maken met de aard van het licht. Licht is een elektromagnetische golf. Vergelijkbaar met de golven van GSM, radio en televisie. Het verschil zit in de golflengte oftewel frequentie. Een GSM werkt met signaalfrequentie van circa 1GHz, glasvezel gebruikt signalen met frequenties rond de 200.000GHz, dat komt overeen met een golflengte van 1550nm. Als elke Hz hiervan een bit zou bevatten dan zou glasvezel met gemak 200.000Gbps kunnen transporteren. And then you woke up !

Helaas, dat is de theorie. In de praktijk worstelt men nog met de 1000Gbps grens. Vezels hebben dus wel degelijk beperkingen.

Demping versus afstand

Voor beide vezeltypen geldt dat de demping, hoewel zeer laag, toch een beperking vormt. De mate waarin de demping een rol speelt, hangt af van het demping budget van de applicatie.

Het demping budget is de hoeveelheid demping die tussen zender en ontvanger maximaal geoorloofd is. De gebruikelijke Engelse termen zijn: (power)budget, optical budget, link power budget.

Bij berekening van het demping budget speelt de demping van vezel, lassen en connectoren een rol. Vezeldemping mag maximaal 3,5 dK/km (Multimode) en 1 dB/km (single mode) bedragen. Connectorverbindingen mogen maximaal 0,75 dB dempen en lassen niet meer dan 0,3 dB. Verder wordt bij de budget berekening rekening gehouden met veroudering van lichtbron en eventuele reparaties. Deze twee factoren kosten circa 3 dB in de budget berekening.

Figuur 3-17: Demping budget bij fiber to the desk

Glasvezel applicaties werken met budgetten tussen 8 en 20 dB. Voor korte afstanden levert de connectordemping de grootste bijdrage. Bij lange afstanden speelt ook de de vezeldemping een rol. De lengte die Singlemode haalbaar is, wordt hoofdzakelijk door de demping bepaald.

Multimode verbindingen zijn meestal kort dus daar speelt de vezeldemping een minder grote rol. Connectordemping is wel van belang en een vezeleigenschap die men dispersie noemt.

Dispersie

De beperkingen van de Multimode vezel worden grotendeels veroorzaakt door een effect dat men modale dispersie noemt. Dit houdt (eenvoudig gesteld) in dat de gelijktijdig verstuurde lichtstralen van de zender niet allen tegelijk bij de ontvanger aankomen. De lichtstralen volgen immers verschillende routes, een kenmerk van Multimode lichtgeleiding. Dispersie wordt uitgedrukt in ps/(nm.km), wetenswaardig voor technici maar niet tastbaar in het dagelijks gebruik. Men maakt dispersie werkbaar met het begrip bandbreedte.

Bandbreedte

De bandbreedte is een maat voor de transportcapaciteit van een glasvezel en wordt uitgedrukt in MHz·km. Een basiskwaliteit 62,5/125 Multimode vezel heeft een bandbreedte van circa 160MHz·km. De betere kwaliteit Multimode ligt rond de 500MHz·km, de topkwaliteit op dit moment is 2000MHz·km. Deze laatste zijn geschikt voor 10Gbps verbindingen, zij het over geringe afstand (300 meter).

De punt geeft het maal-teken weer, dus bij een lengte van twee kilometer blijft de helft van de bandbreedte over. Een lengte van een halve kilometer betekent een verdubbeling van de bandbreedte.

Voorbeeld

Stel een applicatie gebruikt 1GHz bandbreedte, dan zou een 500MHz·km vezel niet langer dan 500 meter en een 160MHz·km niet langer dan 160 meter mogen zijn.

Bij Singlemode speelt modale dispersie nagenoeg geen rol omdat de lichtstralen slechts één route volgen. Het tijdverschil tussen de stralen is hierdoor bijna te verwaarlozen. Singlemode kent echter wel beperkingen door de zogenaamde chromatische dispersie. Chromatische dispersie ontstaat doordat lichtstralen met verschillende golflengtes ook met verschillende snelheden door de vezel gaan. Het gevolg van chromatische dispersie is dat de lichtpuls onderweg verbreed wordt. Eigenlijk hetzelfde effect als modale dispersie maar de pulsverbreding is minder groot.

Hier komt de lichtbron in beeld, deze zou licht met slechts één golflengte moeten stralen, dit is monochromatisch licht.

Echter, in de praktijk geven de kunstmatige lichtbronnen lichtpulsen met verschillende nabijgelegen golflengtes af. De verzameling van golflengtes die de lichtbron uitstraalt is de spectrale bandbreedte.

Lichtbron

In de jaren 80 en begin 90 van de vorige eeuw werden de LED en LASER als lichtbron gebruikt. De LED werd ingezet voor Multimode vezel verbindingen van enkel kilometers met snelheden tot circa 100 Mbps. De LED is goedkoop en traag.

De LASER was de keuze voor de single mode lange afstand verbindingen. De laser is snel en duur, geen bezwaar voor de professionele gebruikers van die tijd.

In de jaren 90 is de VCSEL ontwikkeld, een soort combinatie van LED en LASER. De VCSEL heeft zijn bestaan te danken aan de opkomst van het internet met bijbehorende vraag naar grote en  betaalbare bandbreedte. De VCSEL is een halfgeleider laser die de toekomst van glasvezelverbidingen in de telecommunicatie zal veranderen. De VCSEL is namelijk goedkoop, snel en zeer betrouwbaar.

De LED wordt als lichtbron voor Multimode vezels voor gebouw en campus Backbone tot enige honderden Mbps gebruikt. De meest voorkomende led golflengte is 850nm.

De LED is echter te traag voor Gigabit netwerken, dus moet hier een VCSEL gebruikt worden. De huidige VCSEL opereert op 850nm en wordt gebruikt voor Multimode vezels. In de zeer nabije toekomst zal de 1310nm single mode VCSEL beschikbaar zijn. De VCSEL maakt Gigabit gebouw- en Campus-Backbones betaalbaar.

Bundeling

Het realiseren van een Gigabit verbinding, met behulp van laser, op een bestaande Multimode vezel kan echter problemen geven. De bestaande Multimode vezels zijn niet zo perfect van glas als de nieuwere Multimode of Singlemode vezels. Dat hoeft ook niet omdat de LED een zeer brede lichtbundel door de vezel straalt. Een hoeveelheid licht zal zelfs buiten de kern stralen en verloren gaan, dit wordt "Overfill Launch" (OFL) genoemd. Het licht dat de kern bereikt zal via vele routes door de Multimode vezel getransporteerd worden. Bevindt zich nu ergens op een plaats in de kern een onregelmatigheid in het glas dan zal een zeer beperkt deel van de lichtstralen gehinderd worden. De VCSEL heeft een veel betere bundeling dan de LED, de lichtbundel heeft een diameter van ongeveer 25 µm. De kern is 50 of 62,5 µm dus niet alle modes worden gebruikt. Men spreekt van Resticted Mode Launch (RML).

Figuur 3-18: De verschillende Launch modes

Het verhaal wordt echter heel anders als we deze vezel met een laser aansturen. De laser stuurt een zeer nauwe lichtbundel de kern in, de zogenaamde "Laser Launch" (LL). De lichtstralen volgen allen bijna dezelfde route, een oneffenheid geeft hier dus een groot effect, met als gevolg een enorme toename van de demping.

De oplossingen

De simpelste oplossing voor de combinatie laser en Multimode vezel is een Multimode vezel van zeer hoge kwaliteit toe te passen. Dat kan, speciale 2000MHz·km vezels voor 1 en 10 Gigabit netwerken zijn reeds op de markt.

Een tweede techniek is het laserlicht te verstrooien zodat een brede bundel ontstaat. Dit wordt gedaan met speciale en niet goedkope "mode conditioning patch cords".