Optische Netze

In vielen Anwendungen sind Lichtwellenleiter (LWL) bereits das bevorzugte Medium für schnellere Datennetzwerke höherer Bandbreite auf Unternehmensebene und in Großstädten sowie für Übertragungsdienste (Carrier). Es ist vielleicht weniger bekannt, dass die optische Vernetzung auch zur Reduzierung des Energiebedarfs beitragen könnte. Passive optische Netze (PON) werden in der IKT-Branche immer beliebter und es werden hohe Wachstumsraten prognostiziert. PONs liefern nicht nur hohe Geschwindigkeit und kostengünstige Bandbreite, sie werden auch in Erwägung gezogen, um den Stromverbrauch drastisch zu reduzieren.

Die Forderung nach Geschwindigkeit

Trotz oder vielleicht gerade wegen der deutlichen Verbesserungen im Bereich Netzwerk-Datenraten, Bandbreite und Gesamtkapazität, erhöht sich die Nachfrage sowohl bei Telekommunikations- als auch bei Datenkommunikationsanwendungen. Die Lichtwellenleitertechnik, oft auch als Glasfasertechnik bezeichnet, hat bereits bewiesen selbst bei Geschwindigkeiten von 1 Gbit/s nützlich zu sein und ihr Einsatz bei derzeit in Rechenzentren und auf Unternehmensebene eingesetzten Systemen mit 10 Gbit/s ist stetig gewachsen. Sie wird als Norm für den laufenden 40 Gbit/s Upgrade-Pfad gesehen, während prognostiziert wird, dass Systeme mit 100 Gbit/s ein schnelleres Wachstum erwartet. Lichtwellenleiter erwiesen sich auch für höhere Geschwindigkeiten über kürzere Entfernungen bis zu 100 m als praktisch. Diese erzielen die höchste Nachfrage für Anwendungen, wie zum Beispiel Server, Router und Switches in Rechenzentren. Lichtwellenleiter reduzieren nicht nur die Größe und das Gewicht der Kabel, sondern sind auch nicht teurer, minimieren EMI und, besonders wichtig, können den allgemeinen Stromverbrauch reduzieren.

Niedrigere Kosten, geringerer Energiebedarf

Bild 1: Ein typisches PON mit Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen über einen passiven Verteiler (Splitter). Telecom-cloud.net

Ein PON ist eine kostengünstige Möglichkeit der Bereitstellung von Hochleistungs-LWL-Heim-Konnektivität, indem gemeinschaftlich genutzte optische Fasern verwendet werden, so dass keine Notwendigkeit für mehrere Punkt-zu-Punkt-Verbindungen besteht. Ein PON verwendet kleine, preiswerte, stromlose optische Verteiler (Splitter) anstatt der vergleichsweise großen, teuren und leistungshungrigen optischen Zwischenverstärker (Repeater), wie sie in traditionellen optischen Netzen eingesetzt werden. Ein PON-Verteiler verbindet in der Regel bis zu 32 (es können aber auch mehr sein) Wohnungen oder Geschäftsräume auf dem gleichen Netz. Es besteht aus einem optischen Leitungsanschluss (OLT) bei der zentralen Dienststelle des Dienstleisters und einer Reihe von optischen Netzwerk-Einheiten (ONU), eingesetzt näher am Endkunden (Bild 1).

Downstream-Signale werden zu allen Orten ausgestrahlt, die einen einzigen Lichtwellenleiter gemeinsam nutzen. Verschlüsselung bietet Sicherheit und verhindert Lauschangriffe. Upstream-Signale werden über ein Vielfachzugriffsprotokoll, zum Beispiel TDMA (time division multiple access), kombiniert. Einige Unternehmen verwenden WDM-PONs (Wave Division Multiplexed), um ONUs in mehrere virtuelle PONs aufzuteilen, die in der gleichen physischen Infrastruktur koexistieren. Alternativ kann statistisches Multiplexen eine effiziente Wellenlängenausnutzung bieten, um Verzögerungen auf der ONU-Ebene zu reduzieren.

Eine hochmoderne Technologie in diesem Sektor ist das GPON (Gigabit-PON), das weitgehend in den USA und Europa durch Telekom-Betreiber von städtischen und ländlichen Telefonnetzen eingesetzt wird, um LWL-Verbindungen zu Gebäuden und Geschäftsräumen zu bringen. Es sind bereits 10 GPON-Versionen (10 Gbit/s Downstream, 2,5 Gbit/s Upstream) vorhanden und werden in einigen fortgeschrittenen Anwendungen installiert. GEPON ist die Ethernet-kompatible Version des GPON und unterstützt Geschwindigkeiten von 1 und 10 Gbit/s und darüber hinaus.

Neben der Verwendung in Telekommunikationsnetzen werden passive Kabelsysteme auch rasant von Rechenzentren in Unternehmen wie Google und Amazon für kurze Maschine-zu-Maschine-Verbindungen von bis zu 15 Metern übernommen, um Stromverbrauch, Wärme und Kosten zu reduzieren.

Sandia National Laboratory in Albuquerque, New Mexico, ein Pioniernutzer von PONs, hat 600 individuell geführte Daten-Switches mit 14 optischen LAN-Elementen ersetzt, so dass es das größte Lichtwellenleiter-LAN weltweit ist. Es wird gesagt, dass die Installation den Netzwerk-Energieverbrauch um 65 Prozent reduziert hat und damit 20 Millionen US-Dollar über fünf Jahre in Energierechnungen und sonstige Kosten eingespart hat. Sie bietet nicht nur mehr Kapazität, sondern die größere Reichweite der Faser ermöglicht es auch, ferne Einrichtungen zum ersten Mal mit High-Speed-Kommunikationsnetzen zu verbinden. Sie ist auch sicherer und zuverlässiger, hat erhebliche Platzersparnis eingebracht und reduzierten Wartungsaufwand und Kosten.

Optische Transceiver

Eine wichtige Komponente in jedem optischen Netzwerk-System ist der optische Transceiver, verantwortlich für die elektro-optischen Datenkonvertierungen. Nach der Marktprognose-Datenbank von Light Counting für 2013 bis 2017 wird der Umsatz sich weiterhin, bezogen zum Vorjahr, erhöhen und wächst auf fünf Milliarden US-Dollar im Jahr 2017 (von drei Milliarden US-Dollar in 2012). Transceiver für DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) und Ethernet-Anwendungen sind die Wachstumstreiber, vor allem wegen der schnellen Aufnahme in 40 Gbit/s und 100 Gbit/s-Ports, behauptet die Firma. Allerdings dominieren Systeme mit 10 Gbit/s die Ethernet-Branche und werden es auch noch bis zum Jahr 2017 tun, wenn Geräte mit 100 Gbit/s die Führung übernehmen werden. Die Kunden suchen nach kleineren Formfaktoren und niedrigerem Stromverbrauch, betonte das Unternehmen.

Bild 2: Optischer Transceiver HFBR-5911LZ von Avago für optische Netzwerk-Anwendungen im Gigabit-Ethernet.Avago

Ein wichtiger Akteur in diesem Sektor ist Avago Technologies, Anbieter innovativer Lichtwellenleiter-Lösungen für die 10, 16, 40, 100 Gbit/s Systeme und darüber hinaus. Der optische Transceiver HFBR-5911LZ ist eine typische Komponente in Avago‘s aktuellem Sortiment (Bild 2). Er wurde für den Einsatz in Multimode-LWL-Verbindungen kurzer Reichweite (bis 500 m) entwickelt, die bei 1,0625 oder 1,25 Gbit/s betrieben werden und ideal sind für Gbit/s-Ethernet- oder Fibre-Channel-Netzwerkprodukte.

Die Komponente erfüllt den Industriestandard Small Form Factor (SFF) und erfordert eine 3,3 V Stromversorgung. Die elektrische Schnittstelle hat ein 2 x 5 Format, während die optische Schnittstelle einen LC-Duplex-Stecker verwendet. Typische Anwendungen sind hochschnelle und geschaltete Backplane-Verbindungen, Massenspeicher-I/O-Systeme und High-Speed-Peripherie-Schnittstellen.

Für Unternehmens- und Metronetze mit 10 Gbit/s Ethernet, bietet Avago die AFBR-Serie von optischen Transceivern. Der AFBR-703SDDZ zum Beispiel, ist in einem SFP+-Gehäuse (Small Form Factor Pluggable) mit einem LC-Duplex-Stecker untergebracht, wie sie in den meisten modernen Rechenzentren verwendet werden. Er verwendet die 850 nm VCSEL- und PIN-Detektor-Technologie des Unternehmens. Mit einer 10,312 GBaud Datenrate beträgt die typische Verlustleistung 600 mW. Das Gerät verfügt über optische Schnittstellen-Spezifikationen kompatibel mit 10GBASE-SR-Standards.

Spezialisiert in steckbaren optischen Modulen bietet Finisar eine breite Auswahl an innovativen Geräten, so dass Datenkommunikations- und Telekommunikations-Unternehmen ihre Operationen auf einer modularen Basis erweitern können. Das Sortiment umfasst Sender, Transponder und Transceiver, um einer breiten Palette von Standards, Formfaktoren und Anwendungen zu entsprechen. Die Module sind geeignet für den Betrieb über Distanzen von kurzer Reichweite für den Einsatz in Rechenzentren, mittlerer Reichweite für Campus- und Metroanwendungen und große Reichweite für Netzbetreiber.

Viele der Module beinhalten einen Mikroprozessor und Diagnose-Schnittstelle für eine zuverlässige Leistungsüberwachung. Das Feature ermöglicht die Echtzeit-Fernüberwachung von gesendeter und empfangener optischen Leistung, Laser-Vorspannungsstrom, Transceiver-Eingangsspannung und Transceiver-Temperatur einer optischen Vorrichtung im Netzwerk.

Bild 3: Finisars optischer Transceiver FTLX1412D3BCL.Finisar

Ein typisches optisches Transceiver-Modul von Finisar ist das FTLX1412D3BCL im kleinem Formfaktor (XFP), das dem Standard 10GBASE-LR/LW für 10-Gbit/s-Ethernet entspricht (Bild 3). Es unterstützt Bitraten von 9,95 bis 10,5 Gbit/s und hat eine maximale Verbindungslänge von 10 km. Die Verlustleistung ist kleiner als 2 W und es verwendet einen ungekühlten 1310 nm Laser. Es erfordert nur eine 3,3 V Versorgung und verfügt über einen LC-Duplex-Stecker. Digitale Diagnosefunktionen stehen über eine 2-Draht-Schnittstelle zur Verfügung.

Für 10 Gbit/s schnelle SFP+-Anwendungen, kompatibel mit dem Standard 10GBASE-SR/SW, gibt es das FTLX8571D3BCL. Es unterstützt Bitraten von 9,95 bis 10,5 Gbit/s und arbeitet mit einer einzigen 3,3 V Versorgung mit einer Verlustleistung von weniger als 1 W. Es verwendet einen ebenfalls ungekühlten 850 nm VCSEL-Laser und hat eine maximale Verbindungslänge von 300 m. Die Komponente verfügt über einen LC-Duplex-Stecker und bietet integrierte Diagnosefunktionen.

Bild 4: SFP/SFP+-Evaluierungskarte FDB-1027 von Finisar.Finisar

Eine weitere interessante Option für Entwickler ist die Finisar FDB-1027 Evaluierungsplatine (Bild 4). Mit einem einzigen SFP+-Kantenverbinder und Käfig und vier 50 Ohm SMA-Koax-Verbindern zur Unterstützung der hochschnellen Differentialsendereingangs- und Empfängerausgangssignale, ist das Board ideal zum Testen und Evaluieren von kurz- und langwelligen optischen SFP/SFP+-Transceivern mit Datenraten von 125 Mbit/s bis 10,3 Gbit/s.

(jj)