מרכז הנתונים הפך למנוע של החיים המודרניים; מידע הרשת ההולך וגובר מועבר ומאוחסן במהירות גבוהה דרך מרכז הנתונים. רוב החיבורים בתוך מרכז הנתונים קצרים, נעים בין מטרים בודדים לכמה מאות מטרים. בטווח קצר ובמהירות גבוהה אלה תקשורת נתונים,סיבים מולטי-מודים ומודול אופטי עם VCSELכמו מכשיר הליבה נמצאים בשימוש נרחב. בהשוואה לערכת השידור של מצב יחיד, ערכת ריבוי המצבים מאמצת לייזר בעלות נמוכה והספק נמוך כדי לממש צימוד מהיר ויעיל בין הסיב ללייזר. סיבים מרובים יכולים להשיג קצב שידור גבוה יותר או מרחק שידור ארוך יותר מכבל נחושת ועלות נמוכה יותר ממערכת סיבים במצב יחיד. נכון לעכשיו, קצב החיבור הפנימי של מרכז הנתונים כבר100Gbit/s, ו-400Gbit/s צפויים בקרוב. התעשייה פיתחה סיבים מולטי-מודים חדשים כדי לשפר את הביצועים שלו, כולל WDM בסיב בודד. סיב רב-מצבי גל ארוך תומך במרחק שידור ארוך יותר. בנוסף, על מנת לתמוך בצפיפות גבוהה בחיבור ממוזער, לשפר את קצב ניצול החלל, יעילות פיזור החום ויעילות ניהול הכבלים של מרכז הנתונים, פותחו ונפרסו במהירות סיבים מרובי מצבים עם התנגדות לכיפוף. במאמר זה, מגמת הפיתוח של סיבים מולטי-מודים התומכים במודול אופטי במהירות גבוהה נידונה על ידי שילוב העיקרון הטכני של סיבים מולטי-מודים וההתפתחות של טכנולוגיית המודול האופטי.
1. טכנולוגיית סיבים אופטיים מרובי מצבים ותרחישי יישום
הפיתוח של מחשוב הענן קידם את הפיתוח של מרכזי נתונים סופר גדולים, ובכך יצר מגמות פיתוח שונות ממרכזי נתונים ארגוניים מסורתיים. בין אם זה מקומי או בינלאומי, ההתפתחות של קצב יציאת השרת על ידי משתמשי VLCC עם שירותי מחשוב ענן היא ללא ספק מהירה יותר מזו של מרכזי נתונים ארגוניים מסורתיים. ארגונים מסורתיים ישתמשו בהתמדה בסיבים OM4 מרובי מצבים, ויותר מ-90 אחוז מאורך קישור המערכת הוא פחות מ-100 מטר.
משתמשים במרכזי נתונים סופר גדולים נוטים יותר לבחור בסיבים במצב יחיד, ו-70 אחוז מאורך קישור המערכת הוא מעל 100 מטר. הפיתוח של מרכזי נתונים סופר-גדולים שיפר את קצב הניצול של סיבים חד-מצביים, אך לסיבים מרובי-מצבים יש עדיין את היתרונות הייחודיים שלו. יתרונות אלו כוללים זמינות של מודולים אופטיים בעלות נמוכה יותר, צריכת חשמל נמוכה יותר ומרחקי שידור המכסים את רוב הקישורים במרכז הנתונים, כך שפתרונות המבוססים על סיבים מולטי-מודים ומודולים אופטיים מולטי-מודים נשארים אטרקטיביים עבור הלקוחות.
2. רוחב פס של 850 ננומטר סיב מולטימוד
בשונה ממערכת המצב הבודד, מרחק השידור וקצב השידור של מערכת הרב-מצבים מוגבלים ברוחב הפס של הסיב הרב-מצבי. יש להגדיל את רוחב הפס במצב של סיבים מולטי-מודים כדי לתמוך במרחק הארוך יותר של מערכת מהירות גבוהה.
עם התפתחות התכנון והייצור של סיבים, רוחב הפס של סיבים מולטי-מודים השתפר מאוד. לסיב רב-מודים בגודל 62.5 מיקרומטר יש צמצם מספרי גבוה וליבה גדולה של סיבים, שיכולים לחבר מקור אור של דיודה פולטת אור (LED) לתוך הסיב ולתמוך בהעברת נתונים של 2 ק"מ בקצב של 10 Mbit/s או אפילו 100 Mbit/ ס. עם הפיתוח של תקן Ethernet ו-VCSEL בעלות נמוכה של 850nm, סיבים מרובי מצבים בקוטר ליבה של 50 מיקרון סיבים פופולריים יותר בשוק. לסיב פיזור מצב נמוך יותר ורוחב פס גבוה יותר, וגודל הנקודה והצמצם המספרי של ה-VCSEL קטנים יותר משל LED, מה שמאפשר לחבר את הלייזר בקלות לסיב של 50 מיקרון. על ידי אופטימיזציה של תהליך ייצור הסיבים האופטיים ואימוץ טכנולוגיית בקרת אינדקס השבירה מתקדמת, הסיב האופטי הרב-מודד של 50 מיקרומטר פותח מ-OM2(500 MHz*Km) ל-OM3(2 000 MHz*Km), וכעת התפתח ל-OM4({ {17}} MHz*Km).
עבור מערכת מרובת מצבים המשתמשת ב-850 ננומטר VCSEL, הגדלת עוד יותר את רוחב הפס של סיב רב-מצבי OM4 לא יכולה לגרום למודול האופטי לשדר מרחק נוסף, מכיוון שרוחב הפס של המערכת תלוי בשילוב של רוחב הפס האפקטיבי של הסיב והפיזור ( אשר קשור לרוחב הקו הספקטרלי של לייזר VCSEL ואורך הגל של הסיב). אם יש צורך להגדיל את רוחב הפס של המערכת, בנוסף לרוחב הפס האפקטיבי של הסיב, יש לבצע אופטימיזציה של ערך הפיזור. ניתן להשיג זאת על ידי שימוש בסיב רב-מצבי דיפרנציאלי (DMD) כדי לפצות על פיזור חלקי, או על ידי שימוש ברוחב קו צר יותר של 850nm VCSEL או עבודה באזור גל ארוך יותר עם פיזור נמוך יותר.
מקדם השבירה היחסי המרבי של ליבת הסיבים משפיע גם על רוחב הפס המרבי. כאשר הליבה יורדת מאחוז אחד ל-0.75 אחוז , רוחב הפס מוכפל. עם זאת, הקטנת ליבת הסיבים תגביר את אובדן הכיפוף, ולכן יש צורך לייעל את עיצוב מבנה הסיבים כדי לשפר את ביצועי הכיפוף שלו.
3. סיב רב-מצבי שאינו רגיש לכיפוף
ביישומי מרכז נתונים, סיבים מולטי-מצבים שאינם רגישים לכיפוף נמצאים בשימוש נרחב יותר ויותר, שיכולים לייעל את העיצוב של סיבים אופטיים, חומרה וציוד כדי לחסוך יותר מקום, יעילות קירור טובה יותר וחיבור וניהול כבלים נוחים יותר. הליבה מדורגת באינדקס, והחיפוי בעל חריץ אינדקס נמוך. החריץ מפחית את הכוח האופטי בחיפוי ויכול למנוע דליפה של אותות אופטיים, ובכך לשפר את ביצועי הכיפוף של הסיב. עיצוב הסיבים מייעל את גודל הליבה והחריץ של הסיב, ומשיג איזון בין ביצועי כיפוף ותאימות עם סיבים מולטי-מודים סטנדרטיים. באמצעות עיצוב סביר של ליבת וחריץ סיבים, סיבים מולטי-מודים יכולים להשיג רמת OM4 של רוחב פס גבוה ואובדן כיפוף נמוך. אובדן הכיפוף המאקרו של סיבים מולטי-מצבים שאינם רגישים לכיפוף נמוך יותר מפי 10 מזה של סיבים מולטי-מודים סטנדרטיים רגילים.
