Everything about optical networking

Was ist Glasfaser und warum nutzen wir diese?

• Glasfaser = Richtungsgeber für Licht
• Licht kommt durch die eine Öffnung der Faser hinein und kommt auf der anderen wieder heraus
• am häufigsten aus Glas produziert, es gibt auch Kunststoff-Formen

Warum Glasfaser nutzen?

• Material ist einfach zu produzieren und zu installieren
• sehr leicht, flexibel, hohe Material-Dichte
• hoher Durchsatz (heute bereits 76+ TBit/s möglich)
• kann viele unterschiedliche Signale ohne gegenseitige Beeinflussung (Interferenz) transportieren
• Signale können über weite Distanzen übertragen werden
• Technologie entwickelt sich stetig weiter

Physik-Background:

• Licht in einem Vakuum kann die theoretische Maximalgeschwindigkeit im Universum erreichen
• diese Geschwindigkeit beträgt 299.792.458 Meter pro Sekunde, beschrieben als c
• die Kurzschreibweise umfasst ca. 300.000 Kilometer pro Sekunde
• wenn Licht jedoch ein Material durchdringen muss, die kein perfektes Vakuum darstellen, dann ist es deutlich langsamer
• diese Geschwindigkeit in Relation zu c (theoretisches Maximum) wird als Brechungsindex beschrieben
• Wasser hat einen Brechungsindex von 1.33 und somit 1.33x langsamer als c
• wenn Licht zwischen Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex durchdringt, tritt eine Reflexion auf (darum sieht man z.B. Reflexion auf Wasseroberfläche)

Glasfaser nutzt das Prinzip der inneren Totalreflexion:

• Glasfaserkabel bestehen im Wesentlichen aus zwei Schichten
  • einem Kern, welcher von unterschiedlichen Materialien umgeben ist (Cladding = Ummantlung, Verkleidung)
  • die Ummantlung hat immer einen höheren Brechungsindex
• wenn Licht im korrekten Winkel vom Kern aus auf die Ummantlung trifft, wird diese zurück zum Kern reflektiert

Glasfaser-Arten

Duplex vs. Simplex

• die meisten Glasfaser-Systeme werden Duplex verwendet
  • ein Glasfaser-Paar für eine Punkt zu Punkt Verbindung
  • eine Ader wird zum Senden und die andere zum Empfangen des Signals genutzt
  • diese Strategie mündet in die einfachste und kosteneffizienteste Betriebsart
• Glasfaser selbst kann auch beide Richtungen über eine einzelne Glasfaser übertragen (erfordert jedoch bessere Komponenten an anderer Stelle)
• bei kurzen Distanzen oder einfachen Deployments verlegt man meistens einfach mehr Fasern als man brauch - da Glasfaser selbst sehr günstig ist

Multi-Mode Fiber (MMF)

• wurde designed, um mit weniger optimalen Lichtquellen arbeiten zu können
  • hat einen großen Kern und erlaubt somit schlechter kalibrierte, weniger präzise und nicht so fokussierte Lichtquellen für die Übertragung
  • sorgt jedoch für Beschränkungen hinsichtlich der Reichweite
• hat den Namen aufgrund von mehreren erlaubten Modi von Licht
• wird Modale Dispersion genannt (unterschiedliche Lichtarten durchqueren die Faser unterschiedlich schnell, jedoch zur gleichen Zeit, unabhängig voneinander)
• Typen:
  • OM1/OM2 aka. FDDI grade, meistens in orangener Kabelfarbe
    • OM1 hat einen 62,5µm Kern und OS2 hat einen 50µm Kern
    • ursprünglich designed für 100M über 1310nm Wellenlänge
    • maximal bis 10G ausgelegt
  • OM3/OM4 aka. Laser optimized, meistens in Türkis
    • speziell für Kurzdistanz-Laser über 850nm designed
    • unterstützt 10G über weitere Strecken (300-550m vs. 26m bei OS1)
    • packt auch 10G/25G bis 150m
    • auf kurze Distanzen auch 40G/100G möglich

Single-Mode Fiber (SMF)

• wurde für hohe Bandbreiten und große Distanzen entwickelt
  • hat einen deutlich kleineren Kern, zwischen 8µm und 10µm
  • hat kein konkretes Limit bei Distanzen
    • meist locker 80km ohne Verstärker möglich
    • mit Verstärker locker paar tausend Kilometer möglich
• SMF hat eine deutlich breitere Auswahl an Typen im Vergleich zu MMF
  • es gibt auch OS1 und OS2 - beschreibt jedoch der Kabelaufbau
    • OS1: dicht gepuffertes Kabel, Einsatz in Innenräumen, Distanz max. 10km
    • OS2: Bündeladerkabel, Einsatz im Freien (z.B. Erdverlegung), Distanz bis 200km
  • klassisches Single Mode Fiber hat den offiziellen Produktnamen: SMF-28
  • eigentlich gibt es aber diverse Produktnamen und Unterkategorien je nach Eigenschaften, z.B.: Low Water Peak Fiber (LWPF), Dispersion Shifted Fiber (DSF), Non-Zero Dispersion Shifted Fiber (NZDSF), Bend Insensitive Fiber, ...

Vergleich zwischen Single Mode und Multi Mode

Optical Power und Dämpfung

beschreibt die Helligkeit oder Intensität von Licht

• wenn Licht durch Glasfaser leuchtet, verliert diese Energie
  • Streuung aufgrund von winzig-kleine Verarbeitungsfehler oder Unreinheiten
  • oder indem es in Wärme umgewandelt wird
• dieser Energieverlust wird als Dämpfung bezeichnet
  • egal wie gut die Glasfaser ist, irgendwann verliert sich das Signal vollständig
• optische Leistung wird in Dezibel gemessen
  • eine Dezibel (10tel einer Bel) ist eine Maßeinheit, welche zwei Werte in Relation setzt
  • ist somit keine absolute / physische Maßeinheit (nicht vergleichbar mit z.B. Größe oder Gewicht)

Dezibel ist logarithmisches Verhältnis zwischen zwei Werten

• dB = 10 × log10 ​(P2/​P1​​)
• -10dB ist 1/10 des Signals, -20dB ist 1/100 des Signals, ...
• anders formuliert: +3dB ist verdoppelt und -3dB ist halbiert
• diese Maßeinheit teilt uns jedoch nicht mit, in welche Relation das Ganze gesetzt wird (halbiert oder verdoppelt von was?)

10×log10​(2)
log10​(2) = 0.301
10×0.301 = 3.01

+3dB = 2×Leistung

für einen absoluten Wert (also eine tatsächliche Größe der Signalstärke) wird eine Referenz benötigt

• in Optical Networking wird dafür dBm verwendet
  • bedeutet: 1 Dezibel in Relation zu 1 Milliwatt Leistung
• 0 dBm = 1 mW, 3 dBm = 2 mW, -3 dBm = 0,5 mW, ...
• was ergibt 0 mW? Negativ unendlich dBm

Warum wird überhaupt in Dezibel gemessen?

• Licht verhält sich ähnlich wie Schall dem Abstandsgesetz
  • das Signal ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung
  • mit steigender Distanz geht das Signal gegen 0
  • das Signal legt eine Strecke X zurück und verliert die Hälfte der Signalstärke
• die Rechnung ist vereinfacht, aber annähernd korrekt

Übertragungsbänder

• 850nm
  • höchste Dämpfung, nur genutzt für kurze Distanzen
  • typische Multi Mode Wellenlänge
• 1310nm - O-Band (Original Band)
  • umfasst 1260nm <-> 1360nm, 1310nm ist die Mitte
  • Sweetspot mit niedrigster Dispersion bei klassischem Single Mode, aber hohe Dämpfung
  • wird häufig für mittlere Distanzen verwendet (2-10km)
• 1550nm - C-Band (Conventional Band)
  • umfasst 1530nm <-> 1565nm, 1550nm ist die Mitte
  • niedrigste Dämpfung, aber höhere optische Dispersion
  • wird für lange Distanzen und für DWDM genutzt
• L-Band (Long Band)
  • umfasst 1565nm <-> 1625nm, 60nm Spektrum
  • dient als Erweiterung von C-Band, mit ähnliches Eigenschaften
  • andere Verstärkungsmethoden sind notwendig
  • wird für gewöhnlich nur verwendet, wenn explizit genötigt (z.B. aufgrund von Kabel-Knappheit und damit verbundener maximaler Auslastung)

Dispersion

Chromatic Dispersion (CD):

• ist die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Frequenz des Lichts
• die Variation hat zur Folge, dass Licht verschiedener Wellenlänge an den Flächen des Prismas unterschiedlich stark gebrochen wird
• dies resultiert darin, dass die Einzelteile des einzelnen Signals (pro Signal mehrere Farbteile, welche kombiniert eine Gruppe für ein Signal selbst ergeben) sich bei ihrer Geschwindigkeit stärker oder schwächer unterscheiden
• dadurch kann es vorkommen, dass die schnellsten Teile der Gruppe B schneller beim Empfänger an kommen, als die langsamsten Teile der Gruppe A und somit Signal vermischt wird
• darunter leidet kurzgesagt die Signalqualität, da bei zu großer Dispersion die übersetzten übertragenen Daten so unterschiedlich oder nicht mehr in korrekter Reihenfolge der Gruppe beim Empfänger ankommen, dass dieser damit nichts mehr anfangen kann
• Chromatic Dispersion tritt vor allem bei kürzeren Distanzen auf, da die Pulsfrequenz viel höher ist -> auf kurzer Strecke dauert die Übertragung des Signals kürzer, als auf langer Strecke, somit ist die Übertragungsfrequenz viel enger getaktet, was das Risiko für Dispersion erhöht
• wird in Picosekunden pro Nanometer gemessen btw.

Polarization Mode Dispersion (PMD):

• resultiert darin, dass Licht von einer Polarisierung zu einem anderen Zeitpunkt als eine zweite Polarisierung beim Ziel ankommt
• wird durch unsaubere Verarbeitung bzw. kleinste Fehler in der Form der Glasfaser selbst verursacht
• die Differenz bei der Ankunftszeit ist die Differential Group Delay (DGD), gemessen in Picosekunden (ps)

Optical Signal to Noise Ratio (OSNR):

• in Szenarios mit verstärkten Signalen und hohen Distanzen ist OSNR der größte limitierende Faktor
• Noise Level sorgt für Störung

Wave Division Multiplexing (WDM)