Światłowód jednomodowy i wielomodowy – czym są i jak wpływają na projektowanie sieci komputerowych?
DCNART / Baza wiedzy / Data Center / Światłowód jednomodowy i wielomodowy – czym są i jak wpływają na projektowanie sieci komputerowych?
W artykule omówiono kluczowe różnice pomiędzy światłowodami jednomodowymi a wielomodowymi, które mają istotny wpływ na projektowanie sieci komputerowych, zwłaszcza w kontekście aplikacji szkieletowych i wewnętrznych. Przedstawiono budowę i zasadę działania obu typów włókien: światłowody jednomodowe z wąskim rdzeniem 8–10 μm (standardowo 9 μm), charakteryzujące się minimalną dyspersją modalną i zdolnością do transmisji na dziesiątki kilometrów, oraz światłowody wielomodowe o rdzeniu 50 μm lub 62,5 μm, bardziej podatne na dyspersję i ograniczone do odległości kilkuset metrów. Omówiono także znaczenie rodzaju powłoki zewnętrznej kabla (kable wewnętrzne, zewnętrzne i uniwersalne), jej wpływ na odporność na warunki środowiskowe oraz wymagania normowe. Kolejna część artykułu poświęcona jest porównaniu kosztów wkładek światłowodowych (transceiverów) dla obu technologii, gdzie moduły wielomodowe są zazwyczaj 2–3 razy tańsze niż jednomodowe, co ma kluczowe znaczenie przy dużej liczbie portów w serwerowniach. Analiza zasięgu transmisji wyjaśnia, że światłowody jednomodowe idealnie sprawdzają się w sieciach kampusowych i szkieletowych, zaś wielomodowe – w połączeniach wewnętrznych, gdzie odległości są niewielkie, a oszczędności na transceiverach istotne ekonomicznie.
Światłowód jednomodowy (Single-Mode Fiber, SMF) posiada niezwykle wąski rdzeń o średnicy od 8 do 10 μm (standardowo 9 μm), co umożliwia propagację światła tylko jednym trybem. Dzięki temu modalna dyspersja jest praktycznie wyeliminowana, co przekłada się na bardzo niskie tłumienie i możliwość przesyłania sygnału na duże odległości – nawet do kilkudziesięciu kilometrów bez wzmacniaczy. Zastosowanie koherentnych źródeł laserowych (DFB, EML) o wąskiej szerokości spektralnej dodatkowo minimalizuje dyspersję chromatyczną i utrzymuje wysokie szerokości pasma.
Światłowód wielomodowy (Multimode Fiber, MMF) ma rdzeń o średnicy 50 µm (OM2–OM4) lub 62,5 µm (OM1), co pozwala na jednoczesne przesyłanie wielu modów świetlnych. Większa średnica ułatwia montaż i łączenie, lecz powoduje dyspersję modalną, która ogranicza maksymalny zasięg do kilkuset metrów. Standardy OM3 i OM4 wspierają 10 Gb/s do 300 m i 400 m odpowiednio przy 850 nm, wykorzystując tanie lasery VCSEL.
Modalna dyspersja w MMF jest głównym czynnikiem ograniczającym zasięg i prędkość transmisji, gdyż różne mody pokonują odległość z różnymi prędkościami, powodując rozmycie impulsu. W SMF modalna dyspersja jest praktycznie nieistotna, co pozwala na realizację połączeń dalekosiężnych z minimalną degradacją sygnału.
Kable wewnętrzne zazwyczaj posiadają powłoki z PVC lub LSZH (Low Smoke Zero Halogen), spełniając wymagania klas riser lub plenum, chroniąc przed rozprzestrzenianiem ognia i minimalizując emisję toksycznego dymu. Konstrukcja tight-buffered ułatwia zarządzanie włóknami w pomieszczeniach i w szafach dystrybucyjnych.
Kable zewnętrzne są zwykle loose-tube, wypełnione żelem lub posiadające suchy system blokowania wody (dry block), co zapewnia ochronę przed wilgocią i mechanicznymi naprężeniami przy zmieniających się temperaturach. Wykonane są z powłoki odpornej na UV. Często stosuje się pancerz stalowy lub kevlar dla większej wytrzymałości i ochrony przed gryzoniami.
Kable uniwersalne (indoor/outdoor) łączą w sobie cechy obu typów – LSZH, wodoodporne, odporne na UV, elastyczne i lekkie, które można bez problemu stosować w budynku i poza nim.
Transceivery wielomodowe (np. 10GBASE-SR) wyposażone w lasery VCSEL są zazwyczaj 2–3 razy tańsze niż transceivery jednomodowe (10GBASE-LR z DFB lub EML). Dla 100 Gb/s różnica ceny może wynosić nawet 2 400 USD (SMF) vs 400 USD (MMF).
W centrach danych, gdzie portów światłowodowych jest setki lub tysiące, oszczędności na transceiverach MMF mogą sięgać dziesiątek tysięcy USD, co przy krótkich dystansach (do 150 m) jest ekonomicznie i technicznie uzasadnione.
Światłowody SMF mogą pracować na dystansach od kilku kilometrów (w sieciach kampusowych) do 40 km lub więcej przy zastosowaniu technologii DWDM, dzięki niskim stratom (< 0,35 dB/km) i minimalnej dyspersji modalnej. MMF natomiast, przy OM3/OM4 i 850 nm, ogranicza się do paruset metrów, co idealnie wpisuje się w wymagania serwerowni i Data Center.
Dzięki możliwościom transmisji na dziesiątki kilometrów bez wzmacniaczy oraz odporności na dyspersję modalną, światłowody SMF są standardem w warstwie szkieletowej oraz między obiektami na kampusie. Pozwalają na przyszłościowe rozbudowy z wykorzystaniem DWDM i transmisję 100 Gb/s+.
W zamkniętych pomieszczeniach odległości rzadko przekraczają 100–150 m, dlatego MMF jest optymalny ze względu na niższe koszty transceiverów i prostszą instalację.
Wybór pomiędzy światłowodem jednomodowym a wielomodowym w projekcie sieci komputerowej zależy przede wszystkim od planowanej odległości transmisji i budżetu na transceivery. Technologie SMF oferują nieograniczone praktycznie dystanse transmisji i najwyższe szerokości pasma, co czyni je nieodzownymi w szkieletach i sieciach kampusowych. Natomiast MMF, dzięki niższym kosztom modułów transceiverowych i łatwości montażu, jest idealny do środowisk serwerowych, gdzie odległości są niewielkie, a oszczędności na sprzęcie znacząco zmniejszają koszty całkowite inwestycji.
