Singlemode versus multimode glasvezel: kern, bereik en kosten

Singlemodevezel heeft een dunne kern met een diameter van ongeveer 9 µm, waarin licht zich in slechts één modus voortplant. Er is dus geen snelheidsverschil tussen modi (modale dispersie), en de vezel wordt gebruikt voor lange afstanden van tientallen kilometers of meer en voor snelle verbindingen. Multimodevezel heeft een dikke kern met een diameter van 50 µm of 62,5 µm, waarin veel modi tegelijk lopen, zodat het bereik door modale dispersie beperkt blijft tot enkele tientallen tot enkele honderden meters. Daar staat tegenover dat goedkope lichtbronnen zoals een VCSEL op 850 nm bruikbaar zijn en het uitlijnen eenvoudig is, wat multimode geschikt maakt voor korte verbindingen in datacenters en gebouwen.

KenmerkSinglemodevezelMultimodevezel
Kerndiameter (indicatief)Ongeveer 9 µm (cladding 125 µm)50 µm of 62,5 µm (cladding 125 µm)
Aantal modiSlechts éénHonderden tot ongeveer duizend modi tegelijk
Belangrijkste golflengten1310 nm (O-band) en 1550 nm (C-band)Hoofdzakelijk rond 850 nm
Belangrijkste lichtbronKantemitterende halfgeleiderlasers (zoals DFB-lasers). Het licht wordt in de dunne kern gefocustVCSEL (oppervlakte-emitterende laser). Oudere generaties gebruikten ook leds
Modale dispersieGeen. Wel speelt chromatische dispersie mee naarmate de afstand toeneemt (rond 1310 nm vrijwel nul)Aanwezig. Gradiëntindexvezels, waarin de brekingsindex van de kern geleidelijk verloopt, beperken haar, maar ze begrenst bandbreedte en bereik
Demping (indicatief)Ongeveer 0,35 dB/km bij 1310 nm, ongeveer 0,2 dB/km bij 1550 nmOngeveer 2,5 tot 3,5 dB/km bij 850 nm
Bereik (indicatief)Enkele honderden meters tot tientallen kilometers. Met optische versterkers duizenden kilometers of meerEnkele honderden meters bij 10 Gbit/s, ongeveer 100 m of minder bij lanes van 25 Gbit/s en hoger
UitlijningStrikt. Nauwkeurigheid onder de µm nodig, vaak met actieve uitlijningRuim. Door de dikke kern is de koppeling met lichtbron en ontvanger eenvoudig
KostenDe vezel zelf is goedkoop, maar lasers, optische transceivers en assemblage zijn vaak duurDe vezel is iets duurder, maar lichtbron en assemblage zijn goedkoop, zodat het geheel op korte afstand vaak goedkoper is
Belangrijkste toepassingenLange afstanden en verbindingen tussen steden, aansluitnetten (FTTH), verbindingen van honderden meters tot kilometers tussen gebouwen of binnen datacentersKorte verbindingen zoals tussen racks in een datacenter, LAN's in gebouwen en opslagnetwerken

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Singlemodevezel
Bekabeling over meer dan enkele honderden meters of met het oog op toekomstige hogere snelheden. Langeafstandsverbindingen, aansluitnetten en verbindingen tussen gebouwen of switches in datacenters. Ook wanneer veel signalen via golflengtemultiplexing (WDM) over één vezel moeten.
Multimodevezel
Wanneer korte verbindingen van ongeveer 100 m of minder, zoals binnen dezelfde ruimte of hetzelfde gebouw, goedkoop moeten zijn. Gecombineerd met optische transceivers met een VCSEL op 850 nm.
Trend
Hoe hoger de snelheid per lane, hoe korter het bereik met multimode; daardoor wordt singlemode ook binnen datacenters steeds breder gebruikt.

Veelgestelde vragen

Waarom reikt multimodevezel niet ver?

De kern is dik en veel modi (lichtwegen) lopen tegelijk. Elke modus legt een iets andere afstand met een iets andere snelheid af, zodat een puls die bij vertrek één geheel was bij aankomst in de tijd is uitgesmeerd (modale dispersie). Hoe sneller het signaal, hoe korter de afstand tussen pulsen en dus hoe korter het bereik.

Is singlemodevezel duurder?

De vezel zelf is bij singlemode eerder goedkoper. De kosten zitten vooral in de optische transceiver: om licht in de dunne kern van ongeveer 9 µm te krijgen zijn een laser met stabiel vermogen en uitlijning met een nauwkeurigheid onder de µm nodig. Op korte afstand is multimode, waarmee een VCSEL kan worden gebruikt, voor de hele verbinding vaak goedkoper.

Waarom wordt bij multimodevezel vaak licht van 850 nm gebruikt?

VCSEL's rond 850 nm zijn goedkoop in grote aantallen te maken, kunnen al op de wafer worden getest en zijn gemakkelijk aan multimodevezel te koppelen. Ook de multimodevezel zelf is zo ontworpen dat de bandbreedte bij deze golflengte groot is.

Wat begrenst naast modale dispersie het bereik van singlemodevezel?

Demping en chromatische dispersie. De demping is minimaal rond 1550 nm (ongeveer 0,2 dB/km) en de chromatische dispersie van standaard singlemodevezel is rond 1310 nm vrijwel nul. Over lange afstanden compenseren optische versterkers de demping en wordt dispersie aangepakt met compensatie of signaalverwerking.

Test uw begrip

Wat is een juist kenmerk van optische verbindingen die een VCSEL rond 850 nm combineren met multimodevezel?

  1. ADe componenten zijn goedkoop en uitlijnen is eenvoudig, maar het bereik is beperkt tot korte afstanden van enkele tientallen tot enkele honderden m
  2. BZe gebruiken de golflengteband met het laagste vezelverlies en zijn daarom de standaard voor communicatie over lange afstanden van meer dan enkele honderden km
  3. CSilicium laat licht van 850 nm goed door, zodat ze optimaal zijn voor directe aansluiting op siliciumgolfgeleiders
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. De componenten zijn goedkoop en uitlijnen is eenvoudig, maar het bereik is beperkt tot korte afstanden van enkele tientallen tot enkele honderden m

Een VCSEL is een oppervlakte-emitterende laser die op de wafer kan worden getest, goedkoop in massa kan worden geproduceerd en weinig energie verbruikt. Multimodevezel heeft een dikke kern met een diameter van bijvoorbeeld 50 µm, zodat uitlijnen eenvoudig is. Daarom is deze combinatie veel gebruikt voor korte verbindingen tussen servers en switches binnen en tussen racks. Anderzijds treedt in multimodevezel modale dispersie op, waarbij de aankomsttijden van de verschillende voortplantingswijzen (modi) verschillen, zodat het bereik korter wordt naarmate de snelheid stijgt (bij de 100 Gb/s-klasse per lane circa 50–100 m met OM4-vezel en nog korter met OM3), en ook het vezelverlies is bij 850 nm met circa 3 dB/km relatief groot. Silicium absorbeert licht van 850 nm en kan daarvoor niet als golfgeleider worden gebruikt.

Wat is een juiste reden waarom voor optische verbindingen over relatief korte afstanden binnen datacenters vaak golflengten rond 1,31 µm (O-band) worden gebruikt?

  1. AHet vezelverlies is het kleinst van alle golflengten, zodat licht zonder versterker duizenden km ver komt
  2. BDe chromatische dispersie van standaard singlemodevezel is vrijwel nul, zodat de golfvorm van snelle signalen weinig vervormt
  3. CHet licht heeft dezelfde energie als de bandgap van silicium, zodat silicium direct als fotodetector kan worden gebruikt
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. De chromatische dispersie van standaard singlemodevezel is vrijwel nul, zodat de golfvorm van snelle signalen weinig vervormt

Chromatische dispersie is het verschijnsel waarbij lichtpulsen verbreden doordat de voortplantingssnelheid in de vezel per golflengte licht verschilt. In standaard singlemodevezel is de dispersie rond 1,31 µm vrijwel nul, zodat snelle signalen zonder dispersiecompensatie gemakkelijk over enkele km tot circa 10 km kunnen worden verzonden; daarom wordt deze band in veel optische transceivers voor datacenters gebruikt. Het verlies is het kleinst rond 1,55 µm (circa 0,2 dB/km); bij 1,31 µm is het met circa 0,3–0,35 dB/km iets groter. De fotonenergie van 1,31 µm bedraagt circa 0,95 eV en wordt door silicium niet geabsorbeerd.

Wat is de belangrijkste reden waarom bij optische vezelcommunicatie over lange afstanden golflengten rond 1,55 µm (C-band) veel worden gebruikt?

  1. AHet is de golflengteband waarin het verlies van glasvezel van kwarts het kleinst is
  2. BHet is de golflengteband waarin silicium licht het sterkst absorbeert, zodat fotodetectoren eenvoudig te maken zijn
  3. CHet is de golflengteband waarin de chromatische dispersie nul is, zodat pulsen helemaal niet verbreden
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Het is de golflengteband waarin het verlies van glasvezel van kwarts het kleinst is

Het verlies van glasvezel van kwarts (SiO2) neemt bij korte golflengten toe door rayleighverstrooiing en bij lange golflengten door infraroodabsorptie, zodat het daartussen, rond 1,55 µm, minimaal is (circa 0,2 dB/km). Ook na 100 km bedraagt het verlies slechts circa 20 dB, en dat het licht met erbium-gedoteerde vezelversterkers (EDFA) als licht kan worden versterkt, is eveneens een reden waarom de C-band voor communicatie over lange afstanden wordt gebruikt. In standaard singlemodevezel is de chromatische dispersie vrijwel nul rond 1,31 µm (O-band); bij 1,55 µm blijft er dispersie over. Silicium absorbeert deze golflengte nauwelijks.

  1. Welke uitspraak over de VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser) is juist?
  2. Waarom wordt bij het bevestigen van singlemodevezel aan een optische siliciumchip vaak actieve uitlijning toegepast, waarbij laserlicht daadwerkelijk wordt doorgestuurd en de positie wordt afgesteld terwijl de uitgang wordt gemeten?

Oefenvragen over Siliciumfotonica

Belangrijke termen uitgelegd

Singlemodevezel
Optische vezel die slechts één propagatiemode geleidt, met een kerndiameter van ongeveer 9 µm. Omdat er geen pulsverbreding optreedt doordat modi met verschillende snelheden reizen (modale dispersie), wordt ze gebruikt voor verbindingen over lange afstand en met hoge snelheid.
VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser)
Halfgeleiderlaser die licht loodrecht op het substraat uitzendt. Kan op de wafer worden getest en gemakkelijk tweedimensionaal worden gerangschikt; wordt gebruikt als lichtbron voor onder meer datacommunicatie en gezichtsherkenning.
Chromatische dispersie
Verbreding van lichtpulsen in een optische vezel doordat licht van verschillende golflengten met iets verschillende snelheden reist. In standaard singlemodevezel is ze bijna nul rond 1,31 µm en ongeveer 17 ps/(nm·km) bij 1,55 µm.
O-band
Band voor glasvezelcommunicatie rond 1260 tot 1360 nm. Omvat het gebied rond 1,31 µm waar de chromatische dispersie in standaard singlemodevezel bijna nul is, en wordt veel gebruikt voor korte verbindingen, zoals binnen datacenters.
C-band
Band voor glasvezelcommunicatie rond 1530 tot 1565 nm. Daar is het verlies van kwartsglasvezel het laagst (ongeveer 0,2 dB/km) en kunnen erbium-gedoteerde vezelversterkers (EDFA's) het licht versterken, zodat de band wordt gebruikt voor langeafstandsverbindingen en dense wavelength division multiplexing (DWDM).

Verwante vergelijkingen