Rambler's Top100
Статьи ИКС № 1 2023
Андрей СЕМЕНОВ  10 апреля 2023

Направления совершенствования групповых оптических разъемов

Для высокоскоростной передачи данных, особенно в ЦОДах, сегодня используют в основном «параллельную оптику», т.е. многоволоконные каналы связи. Их неотъемлемая часть – групповые разъемы. Специалисты постоянно ищут пути улучшения этих изделий.

Для информационного обмена со скоростью 100 Гбит/с и выше быстродействие современной электроники оказывается недостаточным, что вынуждает прибегать к параллельной передаче. В каналах связи машинных залов ЦОДов используются два функционально идентичных варианта параллельной передачи (рис. 1). Несмотря на удобство спектрального мультиплексирования с точки зрения эксплуатации, пространственное мультиплексирование из-за лучших стоимостных показателей распространено значительно шире. Соответственно в составе кабельного тракта должен присутствовать групповой (многоканальный) разъем.
 
Рис. 1. Схемы параллельной передачи на примере скорости 100 Гбит/с: на основе пространственного мультиплексирования (вверху) и спектрального уплотнения (снизу)

В СКС функции нормативного разъема параллельных оптических трактов возложены на MPO, характеристики которого на международном уровне зафиксированы стандартом IEC-61754-7. На практике гораздо чаще применяется его усовершенствованный вариант MTP, полностью совместимый с прототипом по посадочным местам. Профильные нормативные документы не запрещают применять разъемы других типов, что оставляет простор для перспективных разработок.

Целесообразность модернизации групповых разъемов

Разъем МРО построен по трехкомпонентной схеме и разработан на базе соединителя МТ, который исходно предназначался для внутриблочного монтажа различной радиоэлектронной аппаратуры и компьютерной техники. Этим обстоятельством определяется наличие у соединителя ряда недостатков, исправление которых в существующей конструкции физически невозможно. Фактически к наконечнику MT был лишь добавлен движковый механизм типа push-pull для фиксации вилки в проходной розетке.

Главные слабые места MPO/MTP:
  • несимметричность соединителя по вилкам вследствие применения пары выравнивающих штифтов, встроенных в армирующий наконечник;
  • трудность обеспечения физического контакта торцевых поверхностей сращиваемых световодов из-за применения группового армирующего наконечника;
  • сложность поддержания полярности формируемого тракта;
  • эксплуатационная капризность.
Последний недостаток обусловлен целым рядом факторов. Во-первых, нормы стандартов на допустимые потери в параллельных оптических кабельных трактах достаточно жесткие (см. таблицу).

Это, в частности, приводит к отсутствию запасов и усложняет процесс сертификационного тестирования. Во-вторых, из-за плоской формы наконечника МТ при его плавающей установке приходится увеличивать усилие нажимной пружины с 8–12 Н, типовых, скажем, для LC и SC, до 20 Н, что сопровождается усиленным износом оптически активных поверхностей волокон, ростом потерь и обратных отражений.

Таблица. Базовые параметры высокоскоростных волоконно-оптических интерфейсов Ethernet

 Тип интерфейса Год утверждения Спецификация Длина тракта, м Допустимые потери, дБ
 1G Ethernet-1000Base-SX 1998 IEEE 802.3z 550 3,56
 10G Ethernet-10GBase-SR 2003 IEEE 802.3ae 300 (OM3)
 490 (OM4)
 2,6 (OM3)
 2,9 (OM4)
 40G Ethernet-10GBase-SR4 2010 IEEE 802.3ba 100 (OM3)
 150 (OM4)
 1,9 (OM3)
 1,5 (OM4)
 100G Ethernet-10GBase-SR10 2010 IEEE 802.3ba 100 (OM3)
 150 (OM4)
 1,8 (OM3)
 1,5 (OM4)

Сюда же добавляется сложность очистки торцевой поверхности M-варианта наконечника MT с центрирующими штырьками, а также смены гендерности и полярности отдельных вилок при возникновении такой необходимости.

Обеспечение полярности параллельных трактов

Проблема полярности в разъемах MPO/MTP возникает из-за рядного расположения волокон в армирующем наконечнике, вследствие чего порядок нумерации передающих и приемных волокон оказывается инверсным. Основное средство решения этой проблемы – двухрядное размещение волокон в разъеме и их раскладка по прямой схеме стандартов СКС в коммутационном шнуре и стационарной линии. Такой прием применяется как в изделиях с моноблочным наконечником, так и в наборных вилках новых конструкций, что позволяет формировать простые тракты передачи по известной схеме трех скрещиваний.

Двухрядное расположение волокон по посадочным местам моноблочного наконечника и их нумерация с привязкой к отдельным приемникам Rx и передатчикам Tx сетевого 16-канального параллельного оптического интерфейса (рис. 2) в серийной продукции применяются в разъеме MXC.
 
Рис. 2. Схема раскладки волокон в центрирующем наконечнике группового оптического разъема MXC (слева) и в сборке дуплексных разъемов SN и MDC

Радикальное отличие изделий SN (Senko-Nano компании Senko) и MDC (Mini-Duplex компании US Conec) от MPO/MTP заключается в том, что групповая вилка может собираться прямо на объекте монтажа из двух или четырех дуплексных, которые для этого вставляются в штатную пластиковую обойму с рычажным фиксатором. Это было сделано для того, чтобы упростить построение популярных при формировании сетевых структур конфигураций port trunking (например, подключения четырех 100-гигабитных трансиверов к одному 400-гигабитному). Соблюдение требуемой полярности в этом случае не достигается автоматически и требует определенных усилий со стороны системного администратора с соответствующим уровнем знаний. При установке вилки одного конца на n-ю позицию обоймы (n = 1 ÷ 4) вилка противоположного конца должна устанавливаться на позицию 5 – n соответствующей обоймы.

Решение проблемы гендерности многоканальных разъемов

Необходимость учета гендерности классического MPO/MTP определяется его конструкцией, предусматривающей сращивание в розетке двух разнотипных вилок: одна из них имеет пару центрирующих штифтов, которые входят в соответствующие направляющие отверстия второй вилки.

Исторически первым способом устранения этого недостатка были конструкции, которые допускали переход от F-вилки (с отверстиями) к M-вилке (со штырьками) прямо в процессе эксплуатации за счет установки пары этих штырьков на общей крепежной обойме. Обойма допускала перемещение в осевом направлении вилки и фиксировалась в одном из двух крайних положений с помощью простейших защелок. Известно несколько изделий, обеспечивающих относительно простой переход от F-вилки к M-вилке и обратно (например, PanMPO компании Panduit).

Второй способ основан на механической «симметризации» вилок панельной и кабельной частей разъема за счет того, что каждая из них содержит только один направляющий штырек, входящий в соответствующее отверстие на противоположной стороне армирующего наконечника. Для обеспечения взаимодействия элементов разъема при сборке соединителя вилки разворачиваются на 180° друг относительно друга. Ошибка при подключении невозможна из-за несимметричной формы вилки, фиксирующая защелка которой вынесена на одну из узких боковых сторон корпуса. Таким образом, способ применим только к разъемам с двухрядной раскладкой волокон в общем армирующем наконечнике. Несимметричные по штырькам вилки предлагались ранее для MPO, в серийной технике подобная структура использована в изделии MXC.

Известна также конструкция MPO-подобного разъема трехкомпонентного типа, которая отличается применением классической схемы выравнивания на основе разрезного центратора. Сам центратор имеет довольно сложную форму и штатно смонтирован в розетке. В собранном состоянии разъем обеспечивает взаимную юстировку вилок за счет плотного охвата и взаимодействия своими рабочими элементами с двумя треугольными вырезами на узких боковых сторонах армирующих наконечников, которые обычным образом вводятся в розетку с двух сторон (рис. 3). До серийного выпуска данное решение доведено компанией Sumitomo Electric, продвигающей его под торговой маркой AirEB.
 
Рис. 3. Схема центрирования MPO-подобного группового армирующего наконечника с помощью пружинящей обоймы

Технология расширения луча

Расширение луча применяется в так называемых линзовых разъемах и впервые была использована в информационной системе европейских высокоскоростных железнодорожных экспрессов InterCity, где на основе этих разъемов были реализованы межвагонные соединения. Технология в несколько раз увеличивает эффективную площадь оптически активных поверхностей элементов разъема, что пропорционально снижает величину потерь, вносимых частицами загрязнения.

Фокусирующий элемент разъема с расширением луча в известных конструкциях всегда встраивается в вилку, он может походить на классическую линзу или иметь иную форму (рис. 4).
 
Рис. 4. Варианты реализации оптических элементов разъемов с расширением луча контактного типа 

Разъем может быть выполнен по традиционной (с физическим контактом оптически активных поверхностей вилок) или конструктивно несколько более сложной бесконтактной схеме. Последняя отличается нанесением на оптически активные поверхности дополнительного покрытия, подавляющего обратные отражения. Сильная сторона бесконтактной схемы – возможность уменьшения до 3 Н усилия, создаваемого нажимной пружиной. Это преимущество наиболее ярко проявляется в многоволоконных разъемах.

Автоматическая очистка оптически активных поверхностей

В процессе эксплуатации кабельной системы оптически активные поверхности волокон неизбежно загрязняются, в частности, из-за несоблюдения правил обращения с элементами соединителя и их подключения друг к другу. Кроме того, на них осаждаются частицы пыли, которые пусть в небольшом количестве, но обязательно присутствуют в воздухе.

Стандартные и перспективные типы оптических разъемов не содержат штатных элементов механической защиты торцевых поверхностей наконечников (крышек и заслонок). Конструкции, в которых этот недостаток устранен, не получили широкого распространения.

Другой подход – автоматическая очистка, выполняющаяся в момент подключения вилки к розетке. До уровня готового продукта доведены две разработки, различающиеся схемой рабочей процедуры.

Соединитель SWK компании Sumitomo Electric реализован на классических армирующих наконечниках MT, расположенных крестом вокруг центральной оси (рис. 5). На этой же оси закреплена подпружиненная подвижная четырехлопастная крыльчатка с мягкими очищающими подушками на внутренних обращенных к наконечникам сторонах лопастей. При подключении вилки к розетке крыльчатка за счет взаимодействия с соответствующими неподвижными элементами корпуса вилки поворачивается примерно на 90°. В результате бокового скольжения подушки по торцевой поверхности наконечника оптически активные поверхности волокон довольно эффективно очищаются от загрязнений.
 
Рис. 5. Схема разъема SWK

Соединитель SWK интересен также тем, что в одном из его вариантов используются редко встречающиеся на практике наконечники МТ с трехрядным расположением световодов.

Еще одно решение для очистки оптически активных поверхностей предложено компанией 3М. В основу ее оптического разъема EBO (Expanded Beam Optical Interconnect) положен часто используемый в электрических соединителях принцип контактной шины. При подключении вилки к розетке самоочистка поверхности происходит за счет того, что контактный элемент просто сдвигает частицы загрязнения в сторону. Для реализации собственно оптического контакта в разработке применен поворот лучей на 90° (рис. 6). Правильность ориентации вилки при подключении гарантируется явно выраженной асимметрией передней поверхности корпуса, которая позволяет визуально быстро определить ее правильное положение.
Рис. 6. Схема реализации оптической контактной шины 

Моноблочные групповые соединители с индивидуальными наконечниками

Стационарные линии кабельной системы строятся по модульно-кассетной схеме. Это, скорее, вынужденное решение для упрощения текущей эксплуатации СКС. Кроме того, появление в составе цепи передачи сигналов двух дополнительных разъемов затрудняет соблюдение норм по вносимым потерям.
 
Рис. 7. Схемы формирования стационарных линий на основе модульно-кассетного решения (сверху) и по классической схеме (снизу)

Ситуацию можно исправить отказом от MPO/MTP в пользу моноблочных разъемов новых типов, реализующих схему Base8 и построенных на индивидуальных установленных по плавающей схеме наконечниках диаметром 1,25 мкм. При этом плавающая индивидуальная установка наконечников гарантирует вносимые потери в premium-варианте на уровне 0,05 дБ. Дополнительное преимущество такого дизайна – возможность повысить скорость передачи до 1,6 Тбит/с. Линии традиционной конструкции и построенные с привлечением разъемов новых типов функционально аналогичны и за исключением внутренней интерфейсной части одинаковы (рис. 7).

На рынке представлены две разновидности изделий, реализующих эту концепцию: accIAIM американского отделения французской компании Legrand и SN Uniboot японской компании Senko. В американском варианте, который ориентирован на транковые кабели, корпус разработан полностью с нуля. Прототипом японского соединителя стало дуплексное изделие SN, отдельные вилки которого фактически встроены в новый моноблочный корпус.

Идея этих соединителей фактически развивает на новом технологическом уровне те конструктивные решения, которые применила немецкая компания Euromicron при создании разъема URM.

* * *
Потребительские качества групповых разъемных соединителей совершенствуются достаточно быстро по различным не связанным между собой направлениям. Основные усилия разработчики прикладывают к соблюдению полярности и уменьшению вносимых потерь модульно-кассетных решений. В уже выполненных разработках наиболее серьезные конструктивные недостатки стандартного соединителя MTP/MPO устранены. Доступные на рынке образцы разъемов обеспечивают скорость до 1,6 Тбит/с, что позволит им не устареть морально по меньшей мере до 2030–2035 гг.

Андрей Семенов, профессор, МТУСИ
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!