Типы оптических волокон
Существует два типа оптических волокон: многомодовые (ММ ) и одномодовые (SM ), отличающиеся диаметрами световедущей сердцевины. Многомодовое волокно , в свою очередь, бывает двух типов: со ступенчатым и градиентным профилями показателя преломления по его сечению.
Многомодовое оптическое волокно со ступенчатым показателем преломления
В ступенчатом оптоволокне могут возбуждаться и распространяться до тысячи мод с различным распределением по сечению и длине оптоволокна. Моды имеют различные оптические пути и, следовательно, различные времена распространения по оптоволокну, что приводит к уширению импульса света по мере его прохождения по оптоволокну. Это явление называется межмодовой дисперсией и оно непосредственно влияет на скорость передачи информации по оптоволокну. Область применения ступенчатых оптоволокон короткие (до 1 км) линии связи со скоростями передачи информации до 100 Мбайт/с, рабочая длина волны излучения, как правило, 0,85 мкм.
Многомодовое оптическое волокно с градиентным показателем преломления
Отличается от ступенчатого тем, что показатель преломления изменяется в нём плавно от середины к краю. В результате моды идут плавно, межмодовая дисперсия меньше.
Градиентное оптоволокно в соответствии со стандартами имеет диаметр сердцевины 50 мкм и 62,5 мкм, диаметр оболочки 125 мкм. Оно применяется во внутриобъектовых линиях длиной до 5 км, со скоростями передачи до 100 Мбайт/c на длинах волн 0,85 мкм и 1,35 мкм.
Одномодовое оптическое волокно
Стандартное одномодовое оптическое волокно имеет диаметр сердцевины 9 мкм и диаметр оболочки 125 мкм
В этом оптоволокне существует и распространяется только одна мода (точнее две вырожденные моды с ортогональными поляризациями), поэтому в нем отсутствует межмодовая дисперсия, что позволяет передавать сигналы на расстояние до 50 км со скоростью до 2,5 Гбит/с и выше без регенерации. Рабочие длины волн λ1 = 1,31 мкм и λ2 = 1,55 мкм.
Окна прозрачности оптоволокна.
Говоря об окнах прозрачности оптического волокна, обычно рисуют такую картинку.
Окна прозрачности оптоволокна
В настоящее время оптоволокно с такой характеристикой уже считается устаревшим. Достаточно давно освоен выпуск оптоволокна типа AllWave ZWP (zero water peak, с нулевым пиком воды), в котором устранены гидроксильные ионы в составе кварцевого стекла. Такое стекло имеет уже не окно, а прямо таки проём в диапазоне от 1300 до 1600 нм.
Все окна прозрачности лежат в инфракрасном диапазоне, то есть свет, передающийся по ВОЛС, не виден глазу. Стоит заметить, что в стандартное оптоволокно можно ввести и видимое глазом излучение. Для этого применяют либо небольшие блоки, присутствующие в некоторых рефлектометрах, либо даже слегка переделанную китайскую лазерную указку. С помощью таких приспособлений можно находить переломы в шнурах. Там, где оптоволокно сломано, будет видно яркое свечение. Такой свет быстро затухает в волокне, так что использовать его можно только на коротких расстояниях (не более 1 км).
Гибкость оптического волокна
Фотография, надеюсь, успокоит тех, кто привык видеть стекло бьющимся и хрупким.
Оптоволокно. Гибкость оптоволокна
Здесь изображено стандартное одномодовое волокно. То самое, 125 мкм кварцевого стекла, использующееся повсеместно. Из-за лакового покрытия оптоволокно способно выдерживать изгибы радиусом в 5 мм (хорошо видно на рисунке). Свет, а значит и сигнал через такой изгиб, увы, уже не проходит.
Информация о расшифровке маркировки оптоволоконных кабелей размещавшееся в этом месте размещена на страницах:
| Оптоволокно |
Несмотря на огромное разнообразие оптоволоконных кабелей, волокна в них практически одинаковые. Более того, производителей самих волокон намного меньше (наиболее известны Corning, Lucent и Fujikura), чем производителей кабелей.
По типу конструкции, вернее по размеру серцевины, оптические волокна делятся на одномодовые (ОМ) и многомодовые (ММ). Строго говоря, употреблять эти понятия следует относительно конкретной используемой длины волны, но после рассмотрения Рисунка 8.2, становится понятно, что на сегодняшнем этапе развития технологий можно это не учитывать.
Рис. 8.3. Одномодовые и многомодовые оптические волокна
В случае многомодового волокна диаметр сердечника (обычно 50 или 62,5 мкм) почти на два порядка больше, чем длина световой волны. Это означает, что свет может распространяться в волокне по нескольким независимым путям (модам). При этом очевидно, что разные моды имеют разную длину, и сигнал на приемнике будет заметно "размазан" по времени.
Из-за этого хрестоматийный тип ступенчатых волокон (вариант 1), с постоянным коэффициентом преломления (постоянной плотностью) по всему сечению сердечника, уже давно не используется из-за большой модовой дисперсии.
На смену ему пришло градиентное волокно (вариант 2), которое имеет неравномерную плотность материала сердечника. На рисунке хорошо видно, что длины пути лучей сильно сокращены за счет сглаживания. Хотя лучи, проходящие дальше от оси световода, преодолевают большие расстояния, они при этом имеют большую скорость распространения. Происходит это из-за того, что плотность материала от центра к внешнему радиусу уменьшается по параболическому закону. А световая волна распространяется тем быстрее, чем меньше плотность среды.
В результате более длинные траектории компенсируются большей скоростью. При удачном подборе параметров, можно свести к минимуму разницу во времени распространения. Соответственно, межмодовая дисперсия градиентного волокна будет намного меньше, чем у волокна с постоянной плотностью сердечника.
Однако, как бы не были сбалансированы градиентные многомодовые волокна, полностью устранить эту проблему можно только при использовании волокон, имеющих достаточно малый диаметр сердечника. В которых, при соответствующей длине волны, будет распространяться один единственный луч.
Реально распространено волокно с диаметром сердечника 8 микрон, что достаточно близко к обычно используемой длине волны 1,3 мкм. Межчастотная дисперсия при неидеальном источнике излучения остается, но ее влияние на передачу сигнала в сотни раз меньше, чем межмодовой или материальной. Соответственно, и пропускная способность одномодового кабеля намного больше, чем многомодового.
Как это часто бывает, у более производительного типа волокна есть свои недостатки. В первую очередь, конечно, это более высокая стоимость, обусловленная стоимостью комплектующих, и требованиями к качеству монтажа.
Таб. 8.1. Сравнение одномодовых и многомодовых технологий.
| Параметры | Одномодовые | Многомодовые |
| Используемые длины волн | 1,3 и 1,5 мкм | 0,85 мкм, реже 1,3 мкм |
| Затухание, дБ/км. | 0,4 - 0,5 | 1,0 - 3,0 |
| Тип передатчика | лазер, реже светодиод | светодиод |
| Толщина сердечника. | 8 мкм | 50 или 62,5 мкм |
| Стоимость волокон и кабелей. | Около 70% от многомодового | - |
| Средняя стоимость конвертера в витую пару Fast Ethernet. | $300 | $100 |
| Дальность передачи Fast Ethernet. | около 20 км | до 2 км |
| Дальность передачи специально разработанных устройств Fast Ethernet. | более 100 км. | до 5 км |
| Возможная скорость передачи. | 10 Гб, и более. | до 1 Гб. на ограниченной длине |
| Область применения. | телекоммуникации | локальные сети |
Оптоволоконный кабель (он же волоконно-оптический кабель ) – это принципиально другой тип кабеля по сравнению с двумя типами электрического или медного кабеля. Информация из него передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент - это прозрачное стекловолокно, по которому светло проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.
Рис. 1. Оптическое волокно. Структура
Структура оптоволоконного кабеля очень простая и похожая на структуру коаксиального электрического кабеля (рис. 1). Только вместо центрального медного проведения здесь используется тонкое (диаметром около 1 - 10 полутемных) стекловолокно (3), а вместо внутренней изоляции - стеклянная или пластиковая оболочка (2), что не позволяет свету выходить за пределы стекловолокна. В этом случае речь идет о режиме так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами переламывания (у стеклянной оболочки коэффициент переламывания значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, потому что экранирование от внешних электромагнитных препятствий здесь не нужно. Однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может совмещать под одною оболочкой несколько оптоволоконных кабелей).
Оптоволоконный кабель имеет исключительные характеристики по защищенности и секретности переданной информации. Никакие внешние электромагнитные препятствия в принципе не способны обезобразить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типа кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, потому что при этом нарушается целостность кабеля. Теоретически возможна полоса пропускания такого кабеля достигает величины 10 12 Гц, то есть 1000 ГГц, что несравненно выше, чем у электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и в настоящий момент приблизительно равняется стоимости тонкого коаксиального кабеля.
Типичная величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, которые используются в локальных сетях, составляет от 5 до 20 дБ/км, что приблизительно отвечает показателям электрических кабелей на низких частотах. Но в случае оптоволоконного кабеля при росте частоты переданного сигнала затухания увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущество перед электрическим кабелем неопровержимые, у него просто нет конкурентов.
Недостатки оптоволоконного кабеля
Самый главный из них - высокая сложность монтажа (при установке оптоволоконного кабеля в разнимании необходима микронная точность, от точности стекловолокна и степени его полирования сильно зависит затухание в разнимании). Для установки разниманий применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, который имеет такой же коэффициент переламывания света, что и стекловолокно. Во всяком случае для этого нужна высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому чаще всего оптоволоконный кабель продается в виде предварительно нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разнимания нужного типа. Стоит помнить, что некачественная установка разнимания резко снижает допустимую длину кабеля, обусловленной затуханием.
Также нужно помнить, что использование оптоволоконного кабеля требует специальных оптических приемников и передатчиков, которые превратят световые сигналы в электрических и назад, что временами существенно увеличивает стоимость сети в целом.
Оптоволоконные кабели допускают разветвление сигналов (для этого производятся специальные пассивные распределители (couplers ) на 2-8 каналов), но, как правило, их используют для передачи данных только в одном направлении между одним передатчиком и одним приемником. Ведь любое разветвление неминуемо сильно ослабляет световой сигнал, и если разветвлений будет много, тот свет может просто не дойти до конца сети. Кроме того, в распределителях есть и внутренние потери, так что суммарная мощность сигнала на выходе меньше входной мощности.
Оптоволоконный кабель менее крепок и гибок, чем электрический. Типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10 - 20 см, при меньших радиусах изгиба центральное волокно может сломаться. Плохо переносит кабель и механическое растягивание, а также раздавливая влияния.
Чувствительный оптоволоконный кабель и к ионизирующим излучениям, через которые снижается прозрачность стекловолокна, то есть увеличивается затухание сигнала. Резкие перепады температуры также негативно отражаются на нем, стекловолокно может треснуть.
Применяют оптоволоконный кабель только в сетях с топологией звезда и кольцо. Никаких проблем согласования и заземления в этом случае не существует. Кабель обеспечивает идеальную гальваническую развязку компьютеров сети. В будущем этот тип кабеля, вероятно, вытиснит электрические кабели или, во всяком случае, сильно потеснит их. Запасы меди на планете истощаются, а сырья для производства стекла вполне достаточно.
Типы оптоволоконных кабелей
- многомодовый или мультимодовый кабель, более дешевый, но менее качественный;
- одномодовый кабель, более дорогой, но имеет лучшие характеристики по сравнению с первым.
Суть расхождения между двумя типами сводится к разным режимам прохождения световых лучей в кабеле.
Рис. 2. Распространение света в одномодовом кабеле
В одномодовом кабеле практически все лучи проходят тот же путь, в результате чего они достигают приемника одновременно, и форма сигнала почти не искажается (рис. 2). Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает светло только с такой же длиной волны (1,3 мкм). Дисперсия и потери сигнала при этом очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномодового кабеля применяются лазерные прийомопередавачи, что используют светло исключительно с необходимой длиной волны. Такие прийомопередавачи пока еще сравнительно дороги и не долговечные. Однако в перспективе одномодовый кабель должен стать основным типом благодаря своим прекрасным характеристикам. К тому же лазеры имеют большее быстродействие, чем обычные светодиоды. Затухание сигнала в одномодовом кабеле составляет около 5 дБ/км и может быть даже снижено до 1 дБ/км.
Рис. 3. Распространение света в многомодовом кабеле
В многомодовому кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается (рис. 3). Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки 125 мкм (это иногда отражается как 62,5/125). Для передачи используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков в сравнении с одномодовым кабелем. Длина волны света во многомодовому кабеле равняется 0,85 мкм, при этом наблюдается разброс длин волн около 30 - 50 нм. Допустимая длина кабеля составляет 2 - 5 км.
Многомодовый кабель - это основной тип оптоволоконного кабеля в это время, потому что он более дешево и более доступно. Затухание во многомодовому кабеле больше, чем в одномодовом и составляет 5 - 20 дБ/км.
Типичная величина задержки для самых распространенных кабелей составляет около 4-5 нс/м, что близко к величине задержки в электрических кабелях.
Оптоволоконные кабели, как и электрические, выпускаются в исполнении plenum
и non-plenum
.
Ведут свою историю с 1960 года, когда был изобретен первый лазер. При этом само оптическое волокно появилось только 10 лет спустя, и сегодня именно оно является физической основой современного интернета.
Оптические волокна, применяемые для передачи данных, имеют принципиально схожее строение. Светопередающая часть волокна (ядро, сердечник или сердцевина) находится в центре, вокруг него располагается демпфер (который иногда называют оболочкой). Задача демпфера - создать границу раздела сред и не дать излучению покинуть пределы ядра.
И ядро, и демпфер изготавливаются из кварцевого стекла, при этом показатель преломления ядра несколько выше, чем показатель преломления демпфера, чтобы реализовать явление полного внутреннего отражения. Для этого достаточно разницы в сотые доли - например, ядро может иметь показатель преломления n 1 =1.468, а демпфер - значение n 2 =1.453.
Диаметр ядра одномодовых волокон составляет 9 мкм, многомодовых - 50 или 62.5 мкм, при этом диаметр демпфера у всех волокон одинаков и составляет 125 мкм. Строение световодов в масштабе показано на иллюстрации:
Ступенчатый профиль показателя преломления (step - index fiber ) - самый простой для изготовления световодов. Он приемлем для одномодовых волокон, где условно считается, что «мода» (маршрут распространения света в ядре) одна. Однако для многомодовых волокон со ступенчатым показателем преломления характерна высокая дисперсия, вызванная наличием большого количества мод, что приводит к рассеиванию, «расползанию» сигнала, и в итоге ограничивает расстояние, на котором возможна работа приложений. Минимизировать дисперсию мод позволяет градиентный показатель преломления. Для многомодовых систем настоятельно рекомендуется использовать именно волокна с градиентным показателем преломления (graded - index fiber ) , в которых переход от ядра к демпферу не имеет «ступеньки», а происходит постепенно.
Основной параметр, характеризующий дисперсию и, соответственно, способность волокна поддерживать работу приложений на определенные расстояния - коэффициент широкополосности. В настоящее время многомодовые волокна делятся по этому показателю на четыре класса, от OM1 (которые не рекомендуется применять в новых системах) до наиболее производительного класса OM4.
|
Класс волокна |
Размер ядра/демпфера, мкм |
Коэффициент широкополосности, |
Примечание |
|
|
850 нм |
1300 нм |
|||
|
Применяется для расширения ранее установленных систем. Использовать в новых системах не рекомендуется. |
||||
|
Применяется для поддержки приложений с производительностью до 1 Гбит/с на расстоянии до 550 м. |
||||
|
Волокно оптимизировано для применения лазерных источников. В режиме RML коэффициент широкополосности на длине волны 850 нм составляет 2000 МГц·км. Волокно применяется для поддержки приложений с производительностью до 10 Гбит/с на расстоянии до 300 м. |
||||
|
Волокно оптимизировано для применения лазерных источников. В режиме RML коэффициент широкополосности на длине волны 850 нм составляет 4700 МГц·км. Волокно применяется для поддержки приложений с производительностью до 10 Гбит/с на расстоянии до 550 м. |
||||
Одномодовые волокна делятся на классы OS1 (обычные световоды, используемые для передачи на длинах волн либо 1310 нм, либо 1550 нм) и OS2, которые можно применять для широкополосной передачи во всем диапазоне от 1310 нм до 1550 нм, поделенном на каналы передачи, или в даже более широком спектре, например, от 1280 до 1625 нм. На начальном этапе выпуска волокна OS2 маркировались обозначением LWP (Low
Water
Peak
)
, чтобы подчеркнуть, что в них минимизированы пики поглощения между окнами прозрачности. Широкополосная передача в наиболее производительных одномодовых волокнах обеспечивает скорости передачи свыше 10 Гбит/с.
Одномодовый и многомодовый волоконно-оптический кабель: правила выбора
Учитывая описанные характеристики многомодовых и одномодовых волокон, можно привести рекомендации по выбору типа волокна в зависимости от производительности приложения и расстояния, на котором оно должно работать:
для скоростей свыше 10 Гбит/с выбор в пользу одномодового волокна независимо от расстояния
для 10-гигабитных приложений и расстояний свыше 550 м выбор также в пользу одномодового волокна
для 10-гигабитных приложений и расстояний до 550 м также возможно применение многомодового волокна OM4
для 10-гигабитных приложений и расстояний до 300 м также возможно применение многомодового волокна OM3
для 1-гигабитных приложений и расстояний до 600-1100 м возможно применение многомодового волокна OM4
для 1-гигабитных приложений и расстояний до 600-900 м возможно применение многомодового волокна OM3
для 1-гигабитных приложений и расстояний до 550 м возможно применение многомодового волокна OM2
Стоимость оптического световода во многом определяется диаметром ядра, поэтому многомодовый кабель при прочих равных обходится дороже одномодового. При этом активное оборудование для одномодовых систем из-за использования в них мощных лазерных источников (например, лазер Фабри-Перо) стоит существенно дороже активки для многомода, где используются либо относительно недорогие лазеры поверхностного излучения VCSEL либо еще более дешевые светодиодные источники. При оценке стоимости системы необходимо учитывать затраты как на кабельную инфраструктуру, так и на активное оборудование, причем последние могут оказаться существенно больше.
На сегодняшний день сложилась практика выбора оптического кабеля в зависимости от сферы использования. Одномодовое волокно используется:
в морских и трансокеанских кабельных линиях связи;
в наземных магистральных линиях дальней связи;
в провайдерских линиях, линиях связи между городскими узлами, в выделенных оптических каналах большой протяженности, в магистралях к оборудованию операторов мобильной связи;
в системах кабельного телевидения (в первую очередь OS2, широкополосная передача);
в системах GPON с доведением волокна до оптического модема, размещаемого у конечного пользователя;
в СКС в магистралях длиной более 550 м (как правило, между зданиями);
в СКС, обслуживающих центры обработки данных, независимо от расстояния.
Многомодовое волокно в основном используется:
в СКС в магистралях внутри здания (где, как правило, расстояния укладываются в 300 м) и в магистралях между зданиями, если расстояние не превышает 300-550 м;
в горизонтальных сегментах СКС и в системах FTTD (fiber - to - the - desk ), где пользователям устанавливаются рабочие станции с многомодовыми оптическими сетевыми картами;
в центрах обработки данных в дополнение к одномодовому волокну;
во всех случаях, где расстояние позволяет применять многомодовые кабели. Хотя сами кабели обходятся дороже, экономия на активном оборудовании покрывает эти затраты.
Можно ожидать, что в ближайшие годы волокно OS2 постепенно вытеснит OS1 (его снимают с производства), а в многомодовых системах исчезнут волокна 62.5/125 мкм, поскольку их полностью вытеснят световоды 50 мкм, вероятно, классов OM3-OM4.
Тестирование одномодовых и многомодовых оптических кабелей
После монтажа все установленные оптические сегменты подлежат тестированию. Только измерения, проведенные специальным оборудованием, позволяют гарантировать характеристики установленных линий и каналов. Для сертификации СКС применяются приборы с квалифицированными источниками излучения на одном конце линии и измерителями на другом. Такое оборудование производят компании Fluke Networks, JDSU, Psiber; все подобные устройства имеют предустановленные базы допустимых оптических потерь в соответствии с телекоммуникационными стандартами TIA/EIA, ISO/IEC и другими. Более протяженные оптические линии проверяют с помощью оптических рефлектометров , имеющих соответствующий динамический диапазон и разрешающую способность.
На этапе эксплуатации все установленные оптические сегменты требуют бережного обращения и регулярного использования специальных чистящих салфеток, палочек и других средств очистки .
Нередки случаи, когда проложенные кабели повреждают, например, при копке траншей или при выполнении ремонтных работ внутри зданий. В этом случае для поиска места сбоя необходим рефлектометр или другой диагностический прибор, основанный на принципах рефлектометрии и показывающий расстояние до точки сбоя (подобные модели есть у производителей Fluke Networks, EXFO, JDSU, NOYES (FOD), Greenlee Communication и других).
Встречающиеся на рынке бюджетные модели предназначены в основном для локализации повреждений (плохих сварок, обрывов, макроизгибов и т д). Зачастую они не в состоянии провести детальную диагностику оптической линии, выявить все её неоднородности и профессионально создать отчет. Кроме этого, они менее надежны и долговечны.
Качественное оборудование - напротив надежно, способно диагностировать ВОЛС в мельчайших деталях, составить корректную таблицу событий, сгенерировать редактируемый отчет. Последнее крайне важно для паспортизации оптических линий, потому как иногда встречаются сварные соединения с настолько низкими потерями, что рефлектометр не в состоянии определить такое соединение. Но сварка ведь всё равно есть, и ее необходимо отобразить в отчёте. В этом случае программное обеспечение позволяет принудительно установить на рефлектограмме событие и в ручном режиме измерить потери на нем.
Многие профессиональные приборы также имеют возможность расширения функциональных возможностей за счет добавления опций: видеомикроскопа для инспектирования торцов волокон, источника лазерного излучения и измерителя мощности, оптического телефона и др.
Оптические волокна, у которых и сердцевина, и оболочка изготовлены из кварцевого стекла, являются самым распространенным типом оптических волокон. Кварцевые оптические волокна способны передавать информационный сигнал в виде световой волны на значительные расстояния, благодаря чему уже несколько десятилетий широко применяются в телекоммуникациях.
Как известно, все кварцевые волокна делятся на одномодовые (SM - single-mode) и многомодовые (MM - multimode), в зависимости от количества распространяемых мод оптического излучения. Одномодовые волокна используются для высокоскоростной передачи данных на большие расстояния, а многомодовые хорошо подходят для менее протяженных линий. В этой статье речь пойдет о многомодовом волокне, его особенностях, разновидностях и областях применения. Одномодовому волокну посвящена . Базовые вопросы волоконно-оптической связи (понятие оптоволокна, его основные характеристики, понятие моды…) обсуждаются в статье « ».
Стоит отметить, что многомодовыми бывают не только кварцевые волокна, но и волокна, изготавливаемые из других материалов, например, и . В этой статье будет говориться только о кварцевых многомодовых волокнах.
Структура кварцевого многомодового волокна
В оптическом волноводе может одновременно распространяться несколько пространственных мод оптического излучения. Количество распространяющихся мод зависит, в частности, от геометрических размеров оптоволокна. Волокно, в котором распространяется больше одной моды оптического излучения, называется многомодовым . В телекоммуникациях в основном применяются кварцевые многомодовые волокна с диаметром сердцевины и оболочки 50/125 и 62,5/125 мкм (также встречается устаревшее волокно 100/140 мкм).
Многомодовое кварцевое волокно имеет и сердцевину, и оболочку из кварцевого стекла. В процессе производства путем легирования исходного материала определенными примесями достигается нужный профиль показателя преломления. Если стандартное одномодовое волокно имеет ступенчатый профиль показателя преломления (показатель преломления одинаков во всех точках поперечного сечения сердцевины), то в случае многомодового волокна чаще всего формируется градиентный профиль (показатель преломления плавно уменьшается от центральной оси сердцевины к оболочке). Это делается, для того чтобы снизить влияние межмодовой дисперсии. При градиентном профиле моды высшего порядка, которые попадают в волокно под бо́льшим углом и распространяются по более длинным траекториям, имеют и бо́льшую скорость, чем те, которые распространяются вблизи сердцевины (рис. 1). Встречаются также многомодовые волокна с другим профилем показателя преломления.
Рис. 1. Градиентное многомодовое волокно
Кварцевое волокно имеет спектральную характеристику затухания с тремя окнами прозрачности (наименьшего затухания) - около длин волн 850, 1300 и 1550 нм. Для работы с многомодовым волокном в основном используются длины волн 850 и 1300 (1310) нм. Типичные значения затухания на этих длинах волн - 3,5 и 1,5 дБ/км соответственно.
Для защиты волокна на оптическую оболочку наносится первичное покрытие из полимерного материала (чаще всего акрила), которое окрашивается в один из двенадцати стандартных цветов. Диаметр оптоволокна с покрытием обычно составляет около 250 мкм. Волоконно-оптический кабель состоит из одного или нескольких волокон с первичным покрытием, а также различных упрочняющих и защитных элементов. В простейшем случае многомодовый оптический кабель представляет собой оптическое волокно, окруженное кевларовыми нитями и помещенное во внешнюю защитную оболочку оранжевого цвета (рис. 2).
Рис. 2. Симплексный многомодовый кабель
Сравнение с одномодовым волокном
Из-за влияния межмодовой дисперсии (рис. 3) многомодовое волокно имеет ограничения в скорости и дальности распространения информации по сравнению с одномодовым. Влияние хроматической и поляризационной модовой дисперсии значительно меньше. Длину многомодовых линий связи ограничивает также большое по сравнению с одномодовым волокном затухание.
Рис. 3. Уширение импульса в многомодовом волокне в результате межмодовой дисперсии
В то же время благодаря большому диаметру снижаются требования к расходимости излучения источника сигнала, а также к юстировке активных (передатчики, приемники…) и пассивных (коннекторы, адаптеры…) компонентов. Поэтому оборудование для многомодового волокна дешевле, чем для одномодового (хотя само многомодовое волокно несколько дороже).
История и классификация
Как уже упоминалось ранее, наибольшее распространение получили многомодовые волокна 50/125 и 62,5/125 мкм. Первые коммерческие многомодовые волокна, производство которых началось в 1970-х годах, имели диаметр сердцевины 50 мкм и ступенчатый профиль показателя преломления. В качестве источников оптического излучения использовались светодиоды (LED). Увеличение передаваемого трафика привело к появлению волокон с сердцевиной 62,5 мкм. Бо́льший диаметр позволял более эффективно использовать излучение светодиода, которое отличается большой расходимостью. Однако при этом увеличивалось число распространяемых мод, что, как известно, отрицательно сказывается на характеристиках передачи. Поэтому, когда вместо светодиодов стали использоваться узконаправленные лазеры, популярность снова стало обретать волокно 50/125 мкм. Дальнейшему росту скорости и дальности передачи информации способствовало появление волокон с градиентным профилем показателя преломления.
Волокна, используемые со светодиодами, имели различные дефекты и неоднородности возле оси сердцевины, то есть в той области, где сосредоточена бо́льшая часть излучения лазера (рис. 4). Поэтому возникла необходимость в совершенствовании технологии производства, что привело к появлению волокон, которые стали называть «оптимизированными для работы с лазерами» (laser-optimized fiber).
Рис. 4. Различие в распространении излучения LED и лазера в оптическом волокне
Так появилась классификация многомодовых кварцевых волокон, которая затем была подробно описана в различных стандартах. Стандарт ISO/IEC 11801 выделяет 4 категории многомодовых волокон, названия которых прочно вошли в обиход. Они обозначаются латинскими буквами OM (Optical Multimode) и цифрой, обозначающей класс волокна:
- OM1 - стандартное многомодовое волокно 62,5/125 мкм;
- OM2 - стандартное многомодовое волокно 50/125 мкм;
- OM3 - многомодовое волокно 50/125 мкм, оптимизированное для работы с лазером;
- OM4 - многомодовое волокно 50/125 мкм, оптимизированное для работы с лазером, с улучшенными характеристиками.
Для каждого класса в стандарте указаны значения затухания и ширины полосы пропускания (параметр, определяющий скорость передачи сигнала). Данные представлены в таблице 1. Обозначения OFL (overfilled launch) и EMB (effective modal bandwidth) указывают на разные методы определения ширины полосы пропускания при использовании светодиодов и лазеров соответственно.
Таблица 1. Параметры многомодовых оптических волокон разных классов.
Сегодня производители волокон также выпускают волокна классов OM1 и OM2, оптимизированные для работы с лазером. К примеру, волокна компании Corning - ClearCurve OM2 и InfiniCor 300 (OM1) - подходят для использования с лазерными источниками излучения.
Другие отраслевые стандарты (IEC 60793-2-10, TIA-492AA, ITU G651.1) проводят похожую классификацию многомодовых кварцевых волокон.
Помимо этих основных классов, выпускается большое разнообразие других разновидностей многомодовых волокон, отличающихся теми или иными параметрами. Среди них отдельно стоит выделить многомодовые волокна с малыми потерями на изгибах для прокладывания в ограниченном пространстве и волокна с уменьшенным радиусом защитного покрытия (200 мкм) для более компактного размещения в многоволоконных кабелях.
Применение кварцевого многомодового волокна
Одномодовое волокно, бесспорно, превосходит многомодовое по своим оптическим характеристикам. Однако поскольку системы связи на основе одномодового волокна обходятся дороже, во многих случаях, прежде всего в непротяженных линиях, целесообразно применять многомодовое волокно.
Область применения многомодового волокна во многом определяется типом используемого излучателя и рабочей длиной волны. Для передачи по многомодовому волокну чаще всего используются излучатели трех типов:
- Светодиоды (850/1300 нм). Из-за большой расходимости излучения и ширины спектра светодиоды могут использоваться для передачи на короткие дистанции и на маленькой скорости. При этом линии на основе светодиодов отличаются невысокой стоимостью по причине низкой цены самих светодиодов и возможности использовании более дешевых волокон OM1 и OM2.
- Лазеры с резонатором Фабри-Перо (1310 нм, реже 1550 нм). Поскольку лазеры FP (Fabry-Perot) имеют достаточно большую ширину спектра (2 нм), они используются в основном с многомодовым волокном.
- Лазеры VCSEL (850 нм). Особая конструкция вертикально-излучающих лазеров (VCSEL - vertical-cavity surface-emitting laser) способствует удешевлению процесса их производства. Излучение VCSEL характеризуется малой расходимостью и симметричной диаграммой направленности, однако его мощность ниже, чем мощность излучения FP лазера. Поэтому VCSEL хорошо подходят для коротких высокоскоростных линий, а также для систем параллельной передачи данных.
В таблице 2 представлены значения дальности передачи информации по многомодовому волокну четырех основных классов в различных распространенных сетях (данные взяты с сайта The Fiber Optic Association). Эти приблизительные значения помогают оценить возможность применения многомодового кварцевого волокна на практике.
Таблица 2. Дальность передачи сигнала по многомодовым волокнам разных классов (в метрах).
| Сеть | Скорость передачи | Стандарт | OM1 | OM2 | OM3 | OM4 | ||||
| 850 нм | 1300 нм | 850 нм | 1300 нм | 850 нм | 1300 нм | 850 нм | 1300 нм | |||
| Fast Ethernet | 100 Мбит/с | 100BASE-SX | 300 | - | 300 | - | 300 | - | 300 | - |
| 100BASE-FX | 2000 | - | 2000 | - | 2000 | - | 2000 | - | ||
| Gigabit Ethernet | 1 Гбит/с | 1000BASE-SX | 275 | - | 550 | - | 800 | - | 880 | - |
| 1000BASE-LX | - | 550 | - | 550 | - | 550 | - | 550 | ||
| 10 Gigabit Ethernet | 10 Гбит/с | 10GBASE-S | 33 | - | 82 | - | 300 | - | 450 | - |
| 10GBASE-LX4 | - | 300 | - | 300 | - | 300 | - | 300 | ||
| 10GBASE-LRM | - | 220 | - | 220 | - | 220 | - | 220 | ||
| 40 Gigabit Ethernet | 40 Гбит/с | 40GBASE-SR4 | - | - | - | - | 100 | - | 125 | - |
| 100 Gigabit Ethernet | 100 Гбит/с | 100GBASE-SR10 | - | - | - | - | 100 | - | 125 | - |
| 1G Fibre Channel | 1,0625 Гбит/с | 100-MX-SN-I | 300 | - | 500 | - | 860 | - | 860 | - |
| 2G Fibre Channel | 2,125 Гбит/с | 200-MX-SN-I | 150 | - | 300 | - | 500 | - | 500 | - |
| 4G Fibre Channel | 4,25 Гбит/с | 400-MX-SN-I | 70 | - | 150 | - | 380 | - | 400 | - |
| 10G Fibre Channel | 10,512 Гбит/с | 1200-MX-SN-I | 33 | - | 82 | - | 300 | - | 300 | - |
| 16G Fibre Channel | 14,025 Гбит/с | 1600-MX-SN | - | - | 35 | - | 100 | - | 125 | - |
| FDDI | 100 Мбит/с | ANSI X3.166 | - | 2000 | - | 2000 | - | 2000 | - | 2000 |
________________________________________________________________