SMF of MMF? En wat is dispersie op een glasvezel eigenlijk?

Door de toenemende snelheid van netwerken, komt het ook binnen het datacenter steeds vaker voor dat onze klanten glasvezelkabel gebruiken in plaats van UTP. Ook voor cross connects naar telco’s, andere klanten of racks op andere datavloeren. Bij UTP-kabels is het relatief eenvoudig: Een hogere standaard dan datgene wat minimaal vereist is, werkt dan gewoon en is misschien met het oog op de toekomst zelfs wel handig. Waar Cat 5 nodig is, kun je ook Cat 6 of Cat 7 toepassen. Bij glasvezel is dat anders. Afgezien van allerlei verschillende connectoren, zijn er ook verschillende ‘soorten’ glas, die lang niet altijd zonder meer uitwisselbaar zijn.

Diameter glasvezelkabel

Het belangrijkste verschil tussen de verschillende soorten glasvezelkabel (Engels: fiber optic cable, kortweg ‘fiber’) is de diameter. Niet de diameter van de mantel of de zogenaamde cladding (de beschermende laag om de kern), maar de diameter van de kern. Een fiber met een dunne kern (ongeveer 9 duizendste van een millimeter) kan data over een langere afstand en met een hogere snelheid vervoeren dan glasvezel met een ‘dikke’ kern. Dik tussen aanhalingstekens, want je praat dan nog steeds maar over 5 of 6 honderdste millimeter. De dunnere fiber wordt single mode fiber genoemd (SMF), de dikkere variant multi mode fiber (MMF).

Mode dispersie

Dat je met SMF (‘dunne’) fiber verder komt dan met MMF (‘dikke’) klinkt op het eerste gezicht misschien wat onlogisch, maar de reden is eigenlijk heel simpel. In MMF heeft het licht ruimte om in de kern van de ene kant naar de andere kant te weerkaatsen. Dat licht bereikt uiteindelijk ook het andere uiteinde van de fiber, maar heeft dan wel een langere afstand afgelegd en doet er daardoor ook langer over dan het licht wat recht door het midden gegaan is. Dit verschijnsel wordt dispersie genoemd. Meer specifiek mode dispersie, want er is ook nog zoiets als chromatische dispersie. Daarover later meer.

De data wordt verstuurd door het licht heel snel te laten knipperen. Als een deel van het licht er dan langer over doet, komt er een moment dat de lichtpulsen in elkaar over gaan lopen en daardoor aan de ontvangende kant niet meer als individuele pulsen te herkennen zijn.

Bij een langere kabel kan het licht vaker heen en weer kaatsen dan bij een korte, dus wordt het verschil groter. En bij hogere datasnelheden zijn de pulsen korter en volgen ze elkaar ook sneller op. Daarom heb je bij langere kabels en hogere snelheden eerder last van dit verschijnsel. Een signaal wat door mode dispersie onbruikbaar is geworden, valt niet meer te ‘repareren’.

LASER

Voor korte afstanden en lagere snelheden worden nog wel eens LEDs toegepast (vanwege de lagere prijs), maar voor langere afstanden heb je een LASER nodig. LASERs zijn voor deze toepassing beter, omdat een enkele kleur licht tot 1 bundel te focussen is. Bij andere lichtbronnen krijg je een soort van ‘regenboog effect’, omdat ze niet zuiver uit 1 kleur bestaan. Omdat de ontvangende kant geen onderscheid kan maken tussen de verschillende kleuren, gaan de pulsen hierdoor – net als bij mode dispersie – bij hogere snelheden en/of langere afstanden in elkaar over lopen.

Chromatische dispersie

Van LASERs wordt vaak gezegd dat ze monochroom licht uitzenden, dus licht in één enkele keur. Dat is bijna waar. Aangezien LASERs niet perfect zijn is het niet helemaal zuiver één kleur wat er uit komt. En dat is een probleem. Want, de snelheid van licht door glasvezel is niet alleen lager dan in een vacuüm, die ‘vertraging’ is ook nog eens afhankelijk van de golflengte (de kleur) van het licht. Dat betekent dat als je een puls wit licht een hele lange fiber in ‘schiet’, je aan het uiteinde achtereenvolgens de kleuren van de regenboog ziet. Dit verschijnsel heet chromatische dispersie.

Een fijne eigenschap van chromatische dispersie ten opzichte van mode dispersie is dat het omkeerbaar is. De details daarvan voeren te ver voor dit blog, omdat je hier eigenlijk pas op echt grote afstanden (van pak hem beet 100km) last van krijgt.

Verschillende soorten optics

In switches en routers zijn de optische interfaces vaak uitgevoerd als slot waar een pluggable optic (meestal SFP of SFP+) in gestoken kan worden. Deze optics zijn verkrijgbaar in verschillende soorten, die verschillende afstanden kunnen overbruggen. Afhankelijk daarvan is een bepaald fibertype nodig. Overigens is de afstand die in de specificaties van een optic staat slechts een indicatie. Uiteindelijk gaat het er om of het signaal de ontvangende kant goed (genoeg) bereikt.

Link budget

“Goed genoeg” in dit verband betekent: Niet te veel dispersie en voldoende lichtsterkte. Een optic zendt licht met een bepaalde sterkte uit (uitgedrukt in dBm’s). Stel dat de TX (zendende) zijde van een optic licht uitzendt met een sterkte van -8dBm en de RX (ontvangende) zijde heeft minimaal -14dBm nodig om het te kunnen ‘zien’, mag je onderweg dus 6dBm kwijtraken. Dat wordt het link budget genoemd. Raak je meer licht kwijt, dan krijg je eerst errors op de link en raak je nog meer licht kwijt en komt de link niet eens meer up. Het is dus belangrijk om te zorgen dat je niet meer licht kwijt raakt dan het link budget. Het is daarom belangrijk om te zorgen dat connectors goed schoon zijn. Een klein beetje stof of vuil op een connector kan makkelijk meer demping opleveren dan een paar kilometer fiber. Overigens is meer hier niet altijd beter. Een optic die bedoeld is voor 80km kan als hij op een veel kortere afstand gebruikt wordt de ontvanger verblinden of zelfs permanent beschadigen. Er is dus ook een bovengrens aan de hoeveelheid licht.

Matchen optics en fibers

De verschillende soorten optics en verschillende soorten fiber moeten dus met elkaar matchen. Je kunt je voorstellen dat als een lichtbron in een optic bedoeld is voor dikke (MMF), het niet lukt om daarmee licht in een dunne (SMF) fiber te schijnen. En omgekeerd: Als de ontvanger in een optic voor SMF bedoeld is, zal hij met MMF niet werken omdat een flink deel van het licht dan buiten het lichtgevoelige deel van de ontvanger terecht komt.

Verschillende connectors

Maar er zijn toch verschillende connectors? Dat klopt. Door de jaren heen zijn heel wat verschillende connectors de revue gepasseerd. Eigenlijk zijn ze door de jaren heen steeds compacter geworden, maar er zijn ook minder zichtbare verschillen. Zo maakt het uiteinde van de fiber bij sommige connectors een hoek om te voorkomen dat licht wat door het uiteinde gereflecteerd wordt weer terug de fiber in gaat. Bovendien kan hetzelfde connectortype voor zowel MMF als SMF gebruikt worden. Dat een connector past, is dus absoluut geen garantie dat de combinatie van fiber en optic gaat werken.

Meer weten over glasvezelverbindingen?

Heeft u vragen over glasvezelverbindingen of twijfel over de geschiktheid van fibers of optics voor uw toepassing? Neem dan gerust contact met ons op, wij helpen u graag. Ook in het geval van problemen zijn wij u graag van dienst. Afgezien van reinigingssets hebben we ook meetapparatuur zoals OTDR en lichtsterktemeters.

Door: Alex Bik