Nestor Cablesin blogi

Monimuotokuitu oli vielä vuosituhannen vaihteessa yleiskaapeloinnin pääasiallinen kuitutyyppi. Vaikka monimuotokuidut ovat tämän jälkeen edelleen kehittyneet, on niiden rooli ollut selvästi vähenevä. Televerkossa ei ole monimuotokuituja käytetty enää kolmeen vuosikymmeneen. Kehitys kulkee yleiskaapeloinnissakin kohti yksimuotokuidun yksinomaista käyttöä. Monimuotokuitutekniikkaakin kehitetään kuitenkin edelleen ja uusi kuitukategoria OM5 on tulossa.

Monimuotokuidun ja yksimuotokuidun rakenteet ovat erilaiset. Monimuotokuidun ydin on tyypillisesti halkaisijaltaan 50 µm. Monimuotokuidun ydin on lisäksi valmistettu siten, että sen taitekerroin muuttuu asteittain pienemmäksi ytimen keskiakselilta kohti ytimen ja kuoren rajapintaa siirryttäessä. Taitekerroinprofiilin aikaansaamiseksi tarvitaan tiettyjä lisäaineita, jotka sekoitetaan puhtaaseen lasiin. Yksimuotokuidun ytimen halkaisija on luokkaa 9 µm ja taitekerroin pysyy käytännössä samana koko ytimen alueella ja pienenee askeltyyppisesti kuoreen siirryttäessä. Molemmissa kuitutyypissä kuidun kuoren halkaisija on tyypillisesti 125 µm.

Monimuotokuidun suorituskyky

Edellä mainituista rakenteellisista eroista ja materiaalieroista johtuu, että monimuotokuidulla on merkittävästi suurempi vaimennus ja pienempi kaistanleveys kuin yksimuotokuidulla. Tämä tarkoittaa, että monimuotokuidulla saavutettavat siirtoetäisyydet ja siirtonopeudet ovat myös merkittävästi pienemmät kuin yksimuotokuidulla saavutettavat.

Kuva 1. Monimuotokuidun vaimennuksen ja kaistanleveyden käsitteet

Monimuotokuidussa valo etenee lukuisissa eri etenemismuodoissa, joilla on eri suuri kulkuaika. Tämä aiheuttaa kuidussa siirrettävien pulssien levenemistä, mikä puolestaan rajoittaa siirtonopeutta ja etäisyyttä eli yhdellä termillä ilmaistuna kaistanleveyttä. Yksimuotokuidussa valo etenee vain yhdessä etenemismuodossa eikä siinä esiinny lainkaan eri etenemismuodoista johtuvaa pulssien levenemistä. Monimuotokuidun suurempi vaimennus puolestaan johtuu siitä, että monimuotokuidun ytimessä joudutaan oikean taitekerroinprofiilin aikaansaamiseksi käyttämään enemmän lisäaineita kuin yksimuotokuidussa. Yksimuotokuidun ytimen lasi on puhtaampaa.

Taulukko 1. Monimuoto- ja yksimuotokuiduilla saavutettavat etäissydet 10G-, 25G,- 40G- ja 100G-Ethernet-verkoissa.

Kategorian OM1 ja OM2 monimuotokuidut ovat olleet jo pitkään auttamattomasti vanhentuneita riittämättömän suorituskykynsä vuoksi. Kategorian OM3 ja OM4 monimuotokuiduillakin etäisyydet alkavat selvästi lyhentyä, kun siirrytään nopeuksiin 25 Gbit/s, 40 Gbit/s ja 100 Gbit/s. Yli 100 m etäisyyksillä on yksimuotokuitu jo ainoa vaihtoehto.

Paralleelioptiikat

Nopeuteen 25 Gbit/s asti ovat monimuotokuituun perustuvat yhteydet kaksikuituisia eli duplex-yhteyksiä. Tämä tarkoittaa, että kumpaakin siirtosuuntaa varten on oma kuitunsa. Kaapeloinnin liitännöissä on tällöin tärkeää polariteetin hallinta, jotta kummankin kuidun toinen pää tulee liitetyksi lähettimeen ja toinen pää vastaanottimeen eri siirtosuunnissa.

40 Gbit/s ja 100 Gbit/s nopeuksilla ei monimuototekniikassa enää selvitä kahdella kuidulla, vaan tarvitaan neljä kuitua kummassakin siirtosuunnassa eli yhteensä kahdeksan kuitua. Tällaista rinnakkaisten kuitujen käyttöä kutsutaan paralleelioptiikaksi. Merkintöjen 40GBASE-SR4 ja 100GBASE-SR4 lopussa oleva luku 4 tarkoittaa neljää ”kaistaa” siirtosuuntaa kohden. Monimuototekniikassa yksi kuitu muodostaa yhden ”kaistan”. 40GBASE-SR -sovelluksessa 40 Gbit/s jaetaan siirtoa varten neljään 10 Gbit/s bittivirtaan ja 100GBASE-SR4-sovelluksessa neljään 25 Gbit/s bittivirtaan. Mainittakoon myös, että 100GBASE-SR4 on jo toisen polven standardi. Ensimmäinen 100 Gbit/s monimuotoversio oli 100GBASE-SR10. Kuten merkinnästä käy ilmi, tämä sovellus käyttää 10 kuitua siirtosuuntaa kohti eli yhteensä 20 kuitua. Tästä ei kuitenkaan tullut koskaan markkinakelpoista tekniikkaa. 

Kuva 2. 40 Gbit/s Ethernet monimuotokuidussa: 40GBASE-SR4

Paralleelioptiikassa liitännät toteutetaan MPO-liittimillä. Sovelluksissa 40GBASE-SR4 ja 100GBASE-SR4 kuidut päätetään 12-kuituisen MPO-liittimen molempien reunojen neljään uloimpaan paikkaan. Neljä keskimmäistä paikkaa jää käyttämättä. MPO-liitännöissä tulee myös johdonmukaisesti noudattaa tiettyjä polariteettisääntöjä.

Yksimuotokuiduilla nopeudet 40 Gbit/s ja 100 Gbit/s toteutetaan myös neljällä ”kaistalla”, mutta nyt ”kaistana” on aallonpituus. Käytössä on siis WDM-tekniikka. Kuituja tarvitaan tällöin vain yksi siirtosuuntaa kohden eli yhteensä kaksi.

Seuraavaksi 400G

IEEE:ssä on valmisteilla 400 Gbit/s Ethernet-standardi. Tätä kirjoitettaessa näyttävät seuraavat 400G-versiot todennäköisiltä:

• 400GBASE-SR16: 16 MM-kuitua/siirtosuunta (yht. 32 kuitua), OM3: 70 m ja OM4: 100 m
• 400GBASE-DR4: 4 SM-kuitua/siirtosuunta (yht. 8 kuitua), 500 m
• 400GBASE-FR8: 1 SM-kuitu ja 8 aallonpituutta/siirtosuunta (yht. 2 kuitua), 2 km
• 400GBASE-LR8: 1 SM-kuitu ja 8 aallonpituutta/siirtosuunta (yht. 2 kuitua), 10 km

400 Gbit/s monimuotoversio vaatii siis yhteensä 32 rinnakkaista monimuotokuitua. Tätä varten on myös valmisteilla 16- ja 32-kuituista MPO-liitintä koskeva standardi. Kaapelointi, jossa yksi siirtotie muodostuu 32 monimuotokuidusta, edellyttää 32-kuituisten MPO-MPO-runkokaapeleiden ja -kytkentäkaapeleiden käyttöä sekä polariteetin hallintaa.

32-kuituisella yhteydellä on vikatodennäköisyys huomattavasti suurempi kuin esimerkiksi 2-kuituisella yhteydellä. Jos 32 -kuituisen siirtotien yksikin kuitu tai kuituliitos ei täytä vaatimuksia, on koko siirtotie hylätty. Tällaisen siirtotien mittauksissakin on omat haasteensa.

OM5 – WDM-tekniikkaa monimuotokuidulla

Monimuototekniikassa siis kuitumäärät yhteyttä kohti kasvavat, kun nopeudet kasvavat. Kuitumäärän kasvun hillitsemiseksi on kehitetty uusia monimuotokuituja, joita voidaan käyttää usealla aallonpituudella. Seuraava kehitysvaihe monimuototekniikassa onkin neljän aallonpituuden monimuotokuitu. Tällaista monimuotokuitua koskeva standardikin on jo lähes valmis ja uudesta kuitukategoriasta käytetään merkintää OM5.

Kun esimerkiksi kategorioiden OM3 ja OM4 ominaisuudet on optimoitu aallonpituusikkunaan 850 nm, soveltuu kategorian OM5 monimuotokuitu noin 100 nm:n levyiselle aallonpituusalueelle 850…953 nm. OM5:n ominaisuudet voidaan tiivistää sanomalla, että sillä on OM4:n vaimennus- ja kaistanleveysominaisuudet aallonpituusalueella 850…953 nm. Tälle alueelle voidaan sijoittaa esimerkiksi neljä eri aallonpituutta 30 nm välein, jolloin syntyy 4-kanavainen WDM-järjestelmä. Aallonpituudet ovat esimerkiksi 850 nm, 880 nm, 910 nm ja 940 nm. Kullakin aallonpituudella voidaan siirtää OM4:n kapasiteetin verran dataa. Yksi OM5-kuitu vastaa siis neljää OM4-kuitua. OM5-kuitua käyttämällä voidaan aiemmin tässä artikkelissa esitetyt monimuotokuitujen määrät pienentää neljänteen osaan nykyisestä. 40G ja 100G voidaan toteuttaa kaksikuituisina (yksi kuitu/siirtosuunta) ja 400G voidaan toteuttaa kahdeksalla kuidulla (neljä kuitua/siirtosuunta).

Kuva 3. OM5-kuidun periaate.

Monimuotokuidun rajat tulevat vastaan

Nopeuksien kasvaessa monimuotokuidun rajat alkavat tulla vastaan. Vaihtoehtoina ovat usean kuidun rinnakkainen käyttö tai uudet usean aallonpituuden monimuotokuidut, kuten OM5. Usean rinnakkaisen kuidun käyttö on kömpelö ja johtaa suuriin kuitumäärin siirtotietä kohti. Toinen vaihtoehto eli useamman aallonpituuden käyttö (WDM) on jo yksimuotokuiduissakin käytössä, joten siinä ei ole mitään periaatteellisesti uutta. Molemmissa vaihtoehdoissa monimuotokuiduilla saavutettava etäisyys rajoittuu kuitenkin enintään 100 metriin.

Yksimuotokuitu on ylivoimainen

Kiinteistöjen optisissa kaapeloinneissa ei yksimuotokuidulla ole käytännössä mitään pituusrajoituksia. Yksimuotokuitu on suorituskyvyltään ylivoimainen monimuotokuituun nähden. Yksimuotokuitu edellyttää tosin jatkoksissa ja liitoksissa monimuotokuitua suurempaa kohdistustarkkuutta ja on myös liitinpäiden epäpuhtauksien kannalta monimuotokuitua kriittisempi. Nämä seikat ovat kuitenkin täysin hallittavissa eivätkä ole ongelma, kunhan vain niihin liittyvät asiat halutaan opetella ja asenne asennustyön laatuun on kohdallaan.

Asuinkiinteistöjen optisissa kaapeloinneissa tulee yksimuotokuituja käyttää jo määräyksen 65 perusteellakin. Myös toimitilakiinteistöissä on aika siirtyä yksimuotokuituun kaikissa uusissa asennuksissa. Mihinkään uuteen kaapelointiin ei monimuotokuituja enää pitäisi suunnitella ja asentaa vain vanhan ja perinteisen tavan vuoksi. Myös optisten liitäntämoduuleiden (transceiver) hintakehitys on yksimuotokuitujen kannalta edullinen. Tämän hintakehityksen myötä juuri mikään seikka ei enää puolla monimuotokuitujen käyttöä. Datakeskuksissa monimuototekniikka voi lyhyillä etäisyyksillä vielä tänä päivänä olla edullisempaa kuin yksimuototekniikka, mutta siirtonopeuksien kasvu ja optoelektroniikan laskeva hintakehitys ohjaavat kehityksen niissäkin monimuotokuidun väistymiseen. Yksimuotokuidusta tulee täten universaali kuitutyyppi, jota käytetään niin televerkoissa kuin kiinteistöjen sisäverkoissakin.

Artikkeli on julkaistu blogissamme Pekka Koiviston luvalla. Artikkeli on julkaistu lähes samansisältöisenä Sähköala-lehden numerossa 6-7/2017.

Artikkelin kirjoittaja Pekka Koivisto on Suomessa tunnettu ja palkittu tietoliikennealan ammattilainen. Ennen omaa yritystään hän on työskennellyt mm. Nokia Kaapelissa ja Helsingin Puhelinyhdistyksessä.