Atenuadors òpticsocupen una posició peculiar als dispositius d'infraestructura de fibra-dissenyats específicament per degradar el rendiment del senyal. La premissa fonamental sembla contraintuïtiva en una indústria obsessionada per minimitzar les pèrdues: introduir deliberadament la pèrdua d'inserció a les vies de transmissió on els enginyers han passat dècades eliminant cada fracció de decibel d'atenuació. No obstant això, la saturació del receptor continua sent una realitat operativa persistent, especialment en desplegaments d'un-mode únic on les fonts làser d'alta-potència superen habitualment els llindars d'entrada del fotodetector per marges que destruirien els elements sensibles de l'APD.
El problema de la saturació del qual ningú parla
Els fulls d'especificacions dels transceptors òptics indiquen la màxima potència de recepció juntament amb la sensibilitat mínima. El mínim crida tota l'atenció durant els càlculs del pressupost de l'enllaç. La potència màxima de recepció es troba allà en silenci, normalment al voltant de -3 dBm a -1 dBm per als mòduls SFP+ de 10G típics, a l'espera de causar problemes quan algú instal·li una òptica de 40 km en un espai de 2 km.
He vist aquest escenari exacte tres vegades en els últims divuit mesos. L'operador del centre de dades demana transceptors de llarg-abast perquè la compra té un descompte per volum. Els tècnics els instal·len en enllaços entre-edificis que amb prou feines s'estenen 500 metres. La potència de llançament arriba al receptor a +2dBm. L'enllaç es nega a establir. Tothom assumeix que el transceptor és defectuós.
No és defectuós. El fotodíode s'està cegant.
Els codis d'error poques vegades ajuden. La majoria del microprogramari de l'interruptor informa de "cap senyal" o "enllaç cap avall" de la mateixa manera si el receptor veu massa poca llum o massa. Els tècnics experimentats aprenen a comprovar ambdues condicions. Tots els altres substitueixen els transceptors fins que algú agafa accidentalment un mòdul d'abast adequat.
Els atenuadors solucionen això. Un atenuador fix de 10 dB al costat de recepció baixa de +2dBm a -8dBm amb seguretat dins del rang de funcionament. L'enllaç estableix. El problema desapareix. La solució costa potser quinze dòlars.
El multimode no li importa
Val la pena dir-ho explícitament: la infraestructura multimode gairebé mai no requereix atenuadors.
Les fonts VCSEL dels transceptors multimode s'inicien potser de -3dBm a 0dBm. Els receptors multimode gestionen -l'entrada màxima d'1 dBm còmodament. Les matemàtiques no produeixen escenaris de sobresaturació en condicions normals. Fins i tot les connexions directes de pedaços entre ports adjacents, configuracions de pèrdua mínima absoluta, es mantenen dins dels límits acceptables.
El mode-únic és on viu el problema. Els làsers DFB que empenyen +3dBm llancen la potència a fibres dissenyades per a distàncies de transmissió de 80 km. Desplegueu aquestes òptiques en una connexió creuada de 50-metres i el receptor no té cap possibilitat.
La trampa de la pèrdua de retorn
Els atenuadors de-pèrdues són barats. També són problemàtics de manera que els seus preus no es reflecteixen.
El principi de funcionament és elegant: crear un espai d'aire entre les cares de la fibra, permetre que el feix divergi, recollir només una part d'aquesta llum divergent a la fibra receptora. Atenuació aconseguida. Física senzilla.
La física també produeix reflexos de Fresnel a les interfícies d'aire-vidres. La llum rebota cap a la font. En una capçalera de CATV amb vídeo analògic, aquests reflexos es manifesten com a fantasmes. En una cavitat làser DFB, provoquen un salt de mode i una degradació de l'amplada de línia. En un EDFA, poden desencadenar làser paràsits si la potència reflectida és suficient.
Vaig passar una tarda resolent problemes intermitents de pics de BER en un tram DWDM on algú havia instal·lat un atenuador de pèrdua de buit-sense comprovar les especificacions de pèrdua de retorn. El propi atenuador va mesurar la pèrdua d'inserció correcta-, el valor d'atenuació correcte, mecànicament sòlid. Però la seva pèrdua de retorn va ser de 14 dB. El làser del transmissor estava descontent al voltant del 4% de la seva potència que tornava a la cavitat amb cada pols.
L'he substituït per un atenuador-de fibra dopada. El problema va desaparèixer.
Per a aplicacions d'-mode únic-especialment qualsevol cosa que tingui una modulació coherent o altes taxes de símbol-les especificacions de pèrdua de retorn són més importants que el valor d'atenuació imprès a la carcassa. Pèrdua de retorn mínima de 45 dB per a implementacions greus. 55dB o millor si feu servir qualsevol cosa per sobre de 100G.
Fix versus variable: una falsa economia
Els atenuadors fixos costen de cinc a vint dòlars segons el tipus i la qualitat del connector. Els atenuadors variables comencen al voltant de cinquanta dòlars per als tipus d'ajust manual i pugen ràpidament a partir d'aquí.
L'instint és comprar valors fixos que coincideixen amb els requisits calculats. Un atenuador fix de 7 dB costa menys que una unitat variable. Per què pagar més per l'ajustament que no necessiteu?
Perquè has calculat malament.
O perquè les especificacions del transceptor eren optimistes. O perquè el tauler de connexió afegeix pèrdues inesperades. O perquè algú va canviar les rutes de fibra durant una finestra de manteniment i ningú va actualitzar la documentació. O perquè el pressupost d'enllaç original suposava connectors que realment no estaven instal·lats.
He vist com els tècnics apilaven atenuadors fixos-un 5dB i un 3dB aparellats-intentaven aproximar l'atenuació que realment requereix el seu enllaç. Les reflexions en cascada de diversos dispositius-de buit d'aire agreugen el problema de pèrdua de retorn descrit anteriorment. Dos atenuadors barats amb un rendiment pitjor del que faria una unitat variable adequada.
Els atenuadors variables tenen sentit per a la prova i la posada en marxa. Marqueu exactament l'atenuació necessària, verifiqueu el rendiment de l'enllaç i, opcionalment, substituïu per una unitat fixa que coincideixi amb aquest valor mesurat. Per a instal·lacions permanents on el pressupost de potència òptica està ben-caracteritzat i estable, els atenuadors fixos estan bé. Per a la resta, les unitats variables guanyen la seva prima de cost gràcies a la flexibilitat operativa.
On MEMS ho va canviar tot
Els atenuadors variables tradicionals utilitzaven mecanismes mecànics-filtres de densitat neutra giratoris, espais d'aire ajustables i elements de bloqueig moguts a la trajectòria del feix. Aquests van funcionar. També van derivar, es van desgastar, van requerir recalibració i van respondre lentament a les ordres d'ajust.
Els atenuadors òptics variables basats en MEMS-han substituït tota aquesta complexitat per un micromirall. Accionat electrostàticament, temps de resposta inferiors a -milsegons, sense superfícies de desgast mecànic, dependència insignificant de la polarització. La tecnologia va madurar ràpidament durant l'era de la creació de DWDM quan els venedors d'equips necessitaven una igualació de potència per-canal a les cadenes d'amplificadors òptics.
Un MEMS VOA dins d'un EDFA no hi ha per evitar la saturació del receptor. És allà per aplanar la inclinació del guany-assegurant-se que els canals a 1530 nm no surtin de l'amplificador 3 dB més forts que els canals a 1560 nm simplement perquè l'espectre de guany d'erbi no és pla. Quaranta o vuitanta d'aquests dispositius, un per longitud d'ona, s'ajusten contínuament a mesura que canvia la càrrega del canal.
L'alternativa era els filtres-aplanaments de guany. Perfils passius d'atenuació fixa de longitud d'ona-selectiva que coincideixen amb la inversa de la forma de guany esperada. Funcionen molt bé quan la càrrega del canal és estàtica. Quan els clients afegeixen i deixen caure longituds d'ona de forma dinàmica, la forma del guany canvia i els filtres fixos no poden compensar.
Els MEMS VOA van fer que les xarxes òptiques reconfigurables siguin comercialment viables. Això no és una exageració. Sense un control dinàmic de potència per-canal, les arquitectures ROADM produirien disparitats incontrolables de la relació de senyal òptic-a-soroll entre les longituds de camí depenent de la longitud d'ona-.
Cristall líquid: el camí no pres
Els atenuadors variables de cristall líquid van sorgir com una tecnologia competidora amb MEMS. Cap part mòbil-atenuació controlada per voltatge-canvis de birrefringència induïts en el material LC. Resposta més ràpida que els enfocaments mecànics, sense mecanismes de desgast, fiabilitat d'estat sòlid-.
Han trobat nínxols. Instrumentació de laboratori. Determinades aplicacions especialitzades. Mai van desplaçar MEMS en els desplegaments de telecomunicacions principals.
La sensibilitat a la temperatura els va matar per a aplicacions de camp. Les propietats del material LC canvien amb la temperatura, requerint circuits de compensació i recalibratge freqüent en entorns sense control climàtic. Les condicions del centre de dades són gestionables; els recintes de plantes exteriors que experimenten hiverns de -40 graus i estius de +50 graus no.
La pèrdua d'inserció també va ser superior a les alternatives MEMS. Mig dB aquí, tres-quats quarts de dB allà-s'acumula en sistemes on cada desena de dB és important per a OSNR.
La col·locació és més important que l'especificació
Els atenuadors pertanyen a l'extrem receptor de l'enllaç. No l'extrem transmissor. No en algun lloc al mig.
Això no és arbitrari. Col·locar l'atenuació al receptor té dos propòsits més enllà de la prevenció de la saturació òbvia: qualsevol reflex de les interfícies pròpies de l'atenuador s'atenua en el seu camí de retorn a la font, i les mesures de potència al receptor segueixen sent senzilles-mesureu abans de l'atenuador, després de l'atenuador.
Poseu l'atenuador a l'extrem del transmissor i no heu aconseguit res per a la gestió de la pèrdua de retorn. Cada connector i empalmament aigües avall aporta reflexos que arriben a la font a tota amplitud. L'atenuador bloqueja la potència cap endavant però no fa res per propagar cap enrere-la llum que mai s'ha atenuat.
M'he trobat amb instal·lacions on algú va col·locar atenuadors immediatament després del transmissor "per protegir la fibra" de l'excés de potència. La fibra no necessita protecció d'uns pocs miliwatts. Els receptors necessiten protecció. La col·locació no tenia sentit òptic, però va persistir a través de múltiples cicles de manteniment perquè estava documentada i ningú va posar en dubte la pràctica documentada.
Realitats de calibració
El paquet atenuador diu 10 dB. L'atenuació real pot ser de 9,7 dB. O 10,4 dB. O 11,2 dB depenent de la longitud d'ona, la temperatura i la importància del fabricant pel compliment de les especificacions.
Per a la majoria d'aplicacions, aquesta banda de tolerància és irrellevant. Necessites aproximadament 10 dB d'atenuació per portar la potència del receptor al rang. Tant si aconseguiu 9,5 dB o 10,5 dB no afecta la viabilitat de l'enllaç.
Per a aplicacions de precisió-proves d'acceptació, mesures OSNR, caracterització de l'amplificador-la precisió de l'atenuador és important. Els-atenuadors variables d'alta gamma dels proveïdors d'equips de prova inclouen milers de punts de calibratge que mapegen l'atenuació real a la configuració de marcatge en múltiples longituds d'ona i nivells de potència. Els instruments costen en conseqüència.
He utilitzat un atenuador programable de 15.000 dòlars per caracteritzar la sensibilitat del receptor. La precisió de l'atenuació era de ± 0,05 dB a la banda C- amb una resolució de 0,01 dB. Aquesta precisió és necessària quan esteu mesurant si la sensibilitat d'un receptor és -28,0 dBm o -28,3 dBm. És un excés absurd per evitar la saturació en un enllaç de producció.
Relaciona l'instrument amb l'aplicació. No instal·leu atenuadors de grau-de laboratori als panells de connexió. No solucioneu problemes dels sistemes DWDM amb atenuadors de la caixa de negocis.
L'embolcall de llapis
La Viquipèdia esmenta envoltar fibra al voltant d'un llapis com a mètode d'atenuació temporal. Això apareix ocasionalment en la resolució de problemes de camp quan no hi ha atenuadors adequats disponibles.
Funciona, una mica. L'atenuació induïda per flexió-és física real. Les corbes estretes obliguen la llum al revestiment, reduint la potència transmesa.
No facis això.
L'atenuació és impredictible-depenent del radi de flexió, el nombre d'embolcalls, el tipus de fibra i la longitud d'ona. És inestable-la fibra es relaxa, l'atenuació canvia. És destructiu-l'estrès repetit trenca el vidre. Introdueix l'acoblament de modes en fibra multimode, alterant les condicions de llançament de maneres que afecten la precisió de la mesura.
Si algú embolica fibra al voltant d'un llapis per fer que un enllaç funcioni, això és un senyal per aturar-se i adquirir l'equip adequat. No és una solució. És la desesperació documentada com a tècnica.
Què canvia amb 400G i més enllà
Les taxes de símbol més altes augmenten la sensibilitat a la pèrdua de retorn. El soroll de fase de la potència-reflectada posterior és més important a 64-QAM que a OOK. Les especificacions de pèrdua de retorn de l'atenuador que eren acceptables per a 10G es tornen problemàtiques a 400G.
Els receptors DSP coherents tenen un rang dinàmic més ampli que els receptors de-detecció directa, la qual cosa redueix alguns problemes de saturació. El processament del senyal òptic que permet una detecció coherent també proporciona més tolerància a la variació de potència. Això no elimina la necessitat d'atenuadors-canvia el perfil de l'aplicació.
La integració de la fotònica de silici està incorporant la funcionalitat VOA al-xip dels dissenys de transceptors. Si el transmissor inclou un atenuador variable integrat, l'atenuació externa esdevé innecessària per a alguns escenaris de desplegament. El mateix transceptor ajusta la potència de llançament per adaptar-se als requisits de l'enllaç.
Aquesta integració no eliminarà el mercat d'atenuadors externs. Els equips heretats no tenen control de potència integrat. Les aplicacions de prova requereixen una atenuació externa calibrada. Les instal·lacions de retrofit necessiten solucions que no requereixin la substitució del transceptor.
Però l'equilibri canvia. Continuen sent necessaris-mòduls atenuadors creats per a aquest propòsit; la seva penetració al mercat canvia a mesura que augmenta la intel·ligència del transceptor.
Valoració honesta
Els atenuadors no són dispositius complicats. Redueixen la potència òptica. La física és senzilla. S'entenen bé-les opcions d'implementació.
Les complicacions sorgeixen del context de desplegament: escollir valors d'atenuació adequats sense mesures de potència adequades, seleccionar tecnologies d'atenuador que no s'ajusten als requisits de l'aplicació, col·locar dispositius en posicions que no aborden els problemes reals, acceptar especificacions de pèrdua de retorn que creen nous problemes alhora que resolen els antics.
Cada instal·lació d'atenuador és una admissió que una altra cosa en el disseny de l'enllaç no coincideix amb la realitat operativa. El receptor és massa sensible per a la potència del transmissor. L'abast és massa curt per a l'especificació òptica. La càrrega del canal difereix dels supòsits de disseny originals.
Els atenuadors apliquen aquests desajustos. Ho fan de manera eficaç, barata i fiable quan es seleccionen correctament. No són elegants. Són pragmàtics.
A les xarxes òptiques de producció, les solucions pragmàtiques que funcionen superen les solucions elegants que no. Els atenuadors funcionen.
