12 декабря 2008 в 13:40

Оптические волокна. Классификация.

• IT-инфраструктура

Оптические волокно стандарт де-факто при построении магистральных сетей связи. Протяженность волоконно-оптических линий связи в России у крупных операторов связи достигает > 50 тыс.км.
Благодаря волокну мы имеем все те преимущества в связи, которых не было раньше.
Вот и попробуем рассмотреть виновника торжества - оптическое волокно.

В статье попробую написать просто о оптических волокнах, без математических выкладок и с простыми человеческими объяснениями.

Статья чисто ознакомительная, т.е. не содержит уникальных знаний, всё что будет описано может быть найдено в куче книг, однако, это не копипаст, а выжимка из «кучи» информации только лишь сути.

Классификация

Чаще всего волокна подразделяют на 2 общих типа волокон
1. Многомодовые волокна
2. Одномодовые

Дадим пояснение на «бытовом» уровне что есть одномод и многомод.
Представим гипотетическую систему передачи с волокном воткнутым в нее.
Нам надо передать двоичную информацию. Импульсы электричества в волокне не распространяются, ибо диэлектрик, поэтому мы будим передавать энергию света.
Для этого нам нужен источник световой энергии. Это могут быть светодиоды и лазеры.
Теперь мы знаем что мы используем в качестве передатчика - это свет.

Подумаем как свет вводится в волокно:
1) Световое излучение имеет свой спектр, поэтому если сердцевина волокна широкая (это в многомодовом волокне), то больше спектральных составляющих света попадет в сердцевину.
Например мы передаем свет на длине волны 1300нм (к примеру), сердцевина многомода широкая, то и путей распространения у волн больше. Каждый такой путь и есть моды

2) Если же сердцевина маленькая (одномодовое волокно), то путей распространения волн соотвественно уменьшается. И так как дополнительных мод гораздо меньше, то и не будет и модовой дисперсии (о ней ниже).

Это основное отличие многомодового и одномодового волокон.
Спасибо enjoint, tegger, hazanko за замечания.

Многомодовые в свою очередь делятся на волокна со ступенчатым показателем преломления (step index multi mode fiber) и с градиентным (graded index m/mode fiber).

Одномодовые делятся на ступенчатые, стандартные (standard fiber), со смещенной дисперсией (dispersion-shifted) и ненулевой смещенной дисперсией (non-zero dispersion-shifted)

Конструкция оптического волокна

Каждое волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления.
Сердцевина (которая и является основной средой передачи энергии светового сигнала) изготавливается из оптически более плотного материала, оболочка - из менее.

Так, например, запись 50/125 говорит о том, что диаметр сердцевины равен 50 мкм, оболочки - 125мкм.

Диаметры сердцевины равные 50мкм и 62,5мкм являются признаками многомодовых оптических волокон, а 8-10мкм, соответственно, одномодовым.
Оболочка же, как правило, всегда имеет диаметр размером 125мкм.

Как видно диаметр сердцевины одномодового волокна имеет намного меньший размер, нежели диаметр многомодового. Меньший диаметр сердцевины позволяет уменьшить модовую дисперсию (о которой, возможно, будет написано в отдельной статье, а также вопросы распространения света в волокне), а соответственно увеличить дальность передачи. Однако, тогда бы одномодовые волокна вытеснили многомоды, благодаря более лучшим «транспортным» характеристикам, если бы не необходимость использовать дорогие лазеры с узким спектром излучения. В многомодовых волокнах используются светодиоды с более размазанным спектром.

Поэтому для недорогих оптических решений, таких как локальные сети интернет-провайдеров применения многомода случается.

Профиль показателя преломления

Вся пляска с бубном у волокна с целью увеличения скорости передачи была вокруг профиля показателя преломления. Так как основным сдерживающим фактором увеличения скорости является модовая дисперсия.
Кратко суть в следующем:
когда излучение лазера поступает в сердцевину волокна, то сигнал передается по ней в виде отдельных мод (грубо: лучей света. А на самом деле разные спектральные составляющие вводимого сигнала)
Причем входят «лучи» под разными углами, поэтому время распространения энергии отдельно взятых мод различается. Это проиллюстрировано на рисунке ниже.

Здесь отображены 3 профиля преломления:
ступенчатый и градиентный для многомодового волокна и ступенчатый для одномодового.
Видно, что в многомодовых волокнах моды света распространяются по различным путям, но, из-за постоянного коэффициента преломления сердцевины с ОДИНАКОВОЙ скоростью. Те моды, которые вынуждены идти по ломанной линии приходят позже, чем моды, идущие по прямой. Поэтому исходный сигнал растягивается во времени.
Другое дело с градиентным профилем, те моды которые раньше шли по центру - замедляются, а моды, которые шли по ломанному пути, наоборот, ускоряются. Это произошло оттого, что коэффициент преломления сердечника теперь непостоянен. Он увеличивается параболически от краев к центру.
Это позволяет увеличить скорость передачи и получить распознаваемый сигнал на приеме.

Области применения оптических волокон

К этому можно добавить, что магистральные кабели теперь все почти идут с ненулевой смещенной дисперсий, что позволяет использовать на этих кабелях спектральное волновое уплотнение (

Некоторые свойства оптического волокна как световода напрямую зависят от диаметра сердцевины. По этому параметру оптоволокно делится на две категории:

многомодовое (MMF ) и одномодовое (SMF ) .

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные.

Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые одномодовые волокна или стандартные волокна (SF), на волокна со смещённой дисперсией (DSF), и на волокна с ненулевой смещённой дисперсией (NZDSF).

Многомодовое оптоволокно .

У этой категории оптоволокна диаметр сердцевины относительно большой по сравнению с длиной волны света, излучаемого передатчиком. Диапазон его значений составляет 50--1000 мкм при используемых длинах волн около 1 мкм. Однако наиболее широкое распространение получили волокна с диаметрами 50 и 62,5 мкм. Передатчики для такого оптоволокна излучают импульс света в некотором телесном угле, т. е. лучи (моды) входят в сердцевину под разными углами. В результате лучи проходят от источника к приемнику неравные по длине пути и, следовательно, достигают его в разное время. Это приводит к тому, что ширина импульса на выходе оказывается больше, чем на входе. Такое явление называется межмодовой дисперсией . В ступенчатом ОВ, более простом для изготовления, коэффициент преломления изменяется ступенчато на границе сердцевины с оболочкой. Ход лучей в таком волокне показан на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Ход лучей света в волокне

В градиентном ОВ коэффициент преломления плавно понижается от центра границе. Лучи света, пути которых проходят в периферийных областях с меньшим коэффициентом преломления, распространяются быстрее, чем те, которые проходят вблизи центра, что в итоге компенсирует разницу в длинах путей. В таком оптоволокне эффект межмодовой дисперсии намного ниже, чем в ступенчатом (рисунок 2.3).

Уширение сигнала устанавливает предел числу передаваемых в секунду импульсов, которые все еще могут быть безошибочно распознаны на принимающем конце канала. Это, в свою очередь, ограничивает полосу пропускания многомодового волокна.

Рисунок 2.4 – Конструкции различных волокон

Очевидно, что величина дисперсии на приемном конце зависит также и от длины кабеля. Поэтому пропускная способность для оптических магистралей определяется на единицу длины. Для оптоволокна со ступенчатым профилем коэффициента преломления она в типичном случае составляет 20-30 MГц на километр (MГц/км), в то время как для градиентных ОВ она находится в диапазоне 100-1000 MГц/км.

Многомодовое оптоволокно может иметь стеклянный стержень и пластиковую оболочку. Такому оптоволокну присущи ступенчатый профиль коэффициента преломления и полоса пропускания 20-30 MГц/км. Одномодовое оптоволокно

Основным отличием такого волокна, во многом определяющим его свойства как световода, является диаметр сердцевины. Он составляет всего от 7 до 10 мкм, что уже сравнимо с длиной волны светового сигнала. Малая величина диаметра позволяет сформировать только один луч (моду), что и нашло отражение в названии (рисунок 2.4).

Достоинства многомодовых ОВ по сравнению с одномодовыми:

Из-за большого диаметра сердцевины многомодового ОВ снижаются требования к источникам излучения, так как для ввода излучения могут применяться более дешевые и вместе с тем более мощные полупроводниковые лазеры, и даже светодиоды. Для электропитания светодиодов применяют очень простые схемы, что упрощает устройство, и уменьшает стоимость ВОСП.

В приемном оптическом модуле могут применяться фотодиоды с большим диаметром фоточувствительной площадки. Такие фотодиоды имеют низкую стоимость.

При сращивании многомодовых ОВ требуемая точность совмещения торцов на порядок ниже, чем в случае сращивания одномодовых ОВ.

Оптические разъемы для многомодовых ОВ по тем же причинам имеют на порядок менее жесткие требования, чем оптические разъемы для одномодовых ОВ.

Принцип передачи данных волоконно-оптическим кабелем

Как известно, все данные в компьютере представляются в виде нулей и единиц. Все стандартные кабели передают бинарные данные с помощью электрических импульсов. И только волоконно-оптический кабель, используя тот же принцип, передает данные с помощью световых импульсов. Источник света посылает данные по волоконно-оптическому «каналу», а принимающая сторона должна преобразовать полученные данные в необходимый формат.

Канал оптической передачи состоит из передатчика, световедущего оптического волокна и приёмника.

Существуют два типа оптоволоконных кабелей:

-многомодовый (multimode) , или мультимодовый, кабель, более дешевый, но менее качественный (ММ );

-одномодовый (single mode) кабель, более дорогой, но имеющий лучшие характеристики (SM ).

Основные различия между этими типами связаны с разными режимами прохождения световых лучей в кабеле.

Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна 3 - 10 мкм. Для передачи данных используют свет с длиной волны 1300 и 1500 нм. Дисперсия и потери сигнала на этих частотах очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Однако длина одномодового кабеля может достигать 80 км.

В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается (Рис). Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки - 125 мкм (это иногда обозначается как 62,5/125). Допустимая длина кабеля достигает 2-5 км.

Для передачи данных на одном конце оптоволокна устанавливают передатчик-излучатель, на другом - фотоприемник. Тем самым, одновременно задействованы два волокна, одно из которых передает, а другое – принимает данные. Принятый оптический сигнал преобразуется в электрический с помощью специальных устройств – медиаконвертеров (Рис. 107), имеющих порты для подключения оптоволокна и кабеля «витая пара». Медиаконвертеры могут иметь исполнение в виде модулей, подключаемых непосредственно в слот коммутатора, как это показано на рис.

В последнее время для экономии числа волокон (а также соединительной аппаратуры) используют волновое мультиплексирование (WDM, Wave Division Multiplexing ): на одной длине волны передают сигнал в одном направлении, на другой - в обратном. Для этого используются приемопередатчики со встроенным WDM и одним разъемом для подключения волокна. На противоположных концах линии устанавливают разнотипные приемопередатчики: у одного передатчика длина волны равна1300 нм, у приемника – 1550 нм; у другого - наоборот.

Многомодовое волокно, в свою очередь, бывает двух типов: со ступенчатым и градиентным профилями показателя преломления по его сечению.

Рис.1 Одномодовое и многомодовое оптическое волокно

Оптоволокно (оптическое волокно) - это тонкая стеклянная (иногда пластиковая) нить предназначенная для передачи светового потока на большие расстояния.

В настоящее время оптоволокно широко используется как в промышленном так и в бытовом масштабе. В XXI-м веке оптоволокно и технологии работы с ним сильно упали в цене благодаря новым достижениям в техническом прогрессе и что ранее считалось слишком дорогим и инновационным, сегодня уже считается повседневным.

Каким же бывает оптоволокно:

1. Одномодовым;
2. Многомодовым;

В чем же отличие между этими двумя типами оптоволокна?

Итак, в любом оптоволокне есть центральная жила и оболочка:

Одномодовое оптоволокно

В одномодовом оптоволокне центральная жила составляет 9 мкм, а оболочка волокна составляет 125 мкм (отсюда маркировка одномодового волокна 9/125). Все световые потоки (моды) благодаря малому диаметру центральной жилы проходят параллельно или по центральной оси жилы. Диапазон длин волн использующихся в одномодовом оптоволокне составляет от 1310 до 1550 нм и используют сфокусированный узконаправленный лазерный луч.

Многомодовое оптоволокно

В многомодовом оптоволокне центральная жила составляет 50 мкм или 62,5 мкм, а оболочка так же 125 мкм. В связи с этим по многомодовому оптоволокну передается множество световых потоков, которые имеют различные траектории и постоянно отражаются от «краёв» центральной жилы. Длины волн использующихся в многомодовом оптоволокне составляет от 850 до 1310 нм и используют рассеянные лучи.

Отличия характеристик одномодового и многомодового оптоволокна

Немаловажную роль имеют затухания сигналов в одномодовом и многомодовом оптоволокне. Затухания в одномодовом волокне за счет узконаправленного луча в несколько раз ниже чем в многомодовом, что еще раз подчеркивает преимущество одномодового оптоволокна.

Наконец одним из главных критериев - это пропускная способность оптоволокна. И снова здесь преимущество имеет одномодовое оптоволокно перед многомодовым. Пропускная способность одномода в разы (если не сказать «на порядок») выше чем многомода.

Всегда было принято считать ВОЛС построенные на многомодовом оптоволокне намного дешевле чем на одномодовом. Это было обусловлено тем, что в многомоде в качестве источника света использовались светодиоды, а не лазеры. Однако в последние годы как в одномоде так и в многомоде стали применяться лазеры, что сказалось на уравнивании цен на оборудование для различного типа оптоволокна.

/ Одномодовый (SM) и многомодовый (MM) оптический кабель

Одномодовый (SM) и многомодовый (MM) оптический кабель

Волоконно-оптические волокна могут быть двух типов:

• Одномодовое (SM, Single Mode)
• Многомодовое (MM, Multi Mode)

Одномодовый оптический кабель передает одну моду и имеет диаметр сечения ≈ 9,5 нм. В свою очередь, одномодовый волоконно оптический кабель может быть с несмещ енной, смещ енной и ненулевой смещ енной дисперсией.

Волоконно оптический многомодовый кабель ММ переда ет множество мод и имеет диаметр 50 или 62,5 нм.

На первый взгляд, напрашивается вывод, что многомодовый оптоволоконный кабель лучше и эффективнее, нежели оптический кабель SM. Тем более, что и специалисты нередко высказываются в пользу ММ на том основании, что, раз многомодовый оптический кабель обеспечивает многократный приоритет по производительности в сравнении с SM, то он во всех отношениях лучше его.

Между тем, мы бы воздержались от таких однозначных оценок. Количественный показатель — далеко не единственное основание для сравнения, и во многих ситуациях одномодовый оптоволоконный кабель оказывается предпочтительнее.

Главное отличие SM и MM кабелей — размерные показатели. Кабель оптический SM имеет волокно с меньшей толщиной (8-10 микрон). Это обуславливает его возможность передавать волну только одной длины по центральной моде. Толщина основного волокна в кабеле ММ значительно больше, 50-60 микрон. Соответственно, такой кабель одновременно может передавать несколько волн с разными длинами по нескольким модам. Однако большее количество мод сужают пропускную способность волоконно-оптического кабеля.

Остальные отличия одно- и многомодовых кабелей касаются материалов, из которых они изготовлены, и используемых источников света. Оптический кабель одномодовый имеет и стержень и оболочку, изготовленные только из стекла, а в качестве источника света — лазер. Кабель же ММ может иметь как стеклянные, так и пластиковые оболочку и стержень, а источником света для него служит светодиод.

Одномодовый кабель оптический 9/125 мкм

Кабель оптический одномодовый 8 волокон типа 9 125, имеет однотрубочную модульную конструкцию. Световоды расположены в центральной трубке, которая заполнена гидрофобным гелем. Наполнитель над ежно защищает волокна от разного рода механических воздействий, кроме того, он исключает воздействие температурных изменений внешней среды. Для защиты от грызунов и других подобных воздействий используется дополнительная опл етка из стеклоткани.

По сути, разработка и производство кабеля волоконно оптического 9 125 сводятся к поиску оптимального решения проблемы уменьшения оптической дисперсии (вплоть до нуля) на всех частотах, с которыми кабель будет работать. Большое количество мод отрицательно влияет на качество сигнала, а одномодовый кабель на деле имеет не одну моду, а несколько. Число их намного меньше, чем в многомодовом, тем не менее, оно больше единицы. Снижение эффекта оптической дисперсии приводит к уменьшению количества мод, и, соответственно, к улучшению качества сигнала.

В большинстве стандартов оптических волокон, применяемых в кабелях 9 125, нулевая дисперсия обеспечивается в узком диапазоне частот. Таким образом, одномодовым в буквальном смысле кабель является лишь с волнами конкретной длины. Однако существующие технологии уплотнения используют набор оптических частот для приема и передачи сразу нескольких широкополосных оптических каналов связи.

Одномодовый волоконно оптический кабель 9 125 используется как внутри зданий, так и на внешних магистралях. Его можно закапывать в грунт или применять в качестве подвесного кабеля.

Многомодовый оптический кабель 50/125 мкм

Кабель волоконно-оптический 50/125(OM2) многомодовый, применяется в оптических сетях с 10-гигабайтными скоростями, построенных на многомодовом волокне. В соответствиями с изменениями спецификации ISO/IEC 11801 в таких сетях рекомендуется использовать новый тип патч-кордового кабеля класса ОМЗ с типоразмером 50 125.

Кабель оптический 50 125 ОМЗ, соответственно сетевым приложениям 10 Gigabit Ethernet, предназначается для осуществления передачи данных на волнах длиной 850 нм либо 1300 нм, отличных максимально допустимыми значениями затухания. Используется для обеспечения связи в диапазоне действия частот 1013-1015 Гц.

Оптический кабель многомодовый 50 125 предназначается для патч-кордов и разводки до рабочего места, и используется только внутри помещений.

Кабель поддерживает передачу данных на короткие расстояния и подходит для непосредственного терминирования. Структура стандартного многомодового оптического волокна G 50/125 (G 62,5/125) мкм соответствует стандартам: EN 188200; VDE 0888, часть 105; МЭК “IEC 60793-2”; Рекомендация МСЭ-Т (ITU-T) G.651.

MM 50/125 имеет важное преимущество, которое заключается в низких потерях и абсолютной невосприимчивости к разного рода помехам. Это позволяет строить системы с сотнями тысяч каналов телефонной связи.

Виды применяемых волокон

В производстве SM и MM кабелей используются одномодовые и многомодовые волокна следующих типов:

• одномодовое, рекомендация ITU-Т G.652.В (в маркировке тип “Е”);
• одномодовое, рекомендация ITU-Т G.652.С, D (в маркировке тип “А”);
• одномодовое, рекомендация ITU-Т G.655 (в маркировке тип “Н”);
• одномодовое, рекомендация ITU-Т G.656 (в маркировке тип “С”);
• многомодовое, с сердцевиной диаметром 50 мкм, рекомендация ITU-Т G.651 (в маркировке тип “М”);
• многомодовое, с сердцевиной диаметром 62,5 мкм (в маркировке тип “В”)

Оптические параметры волокон в буферном покрытии должны соответствовать спецификациям фирм-поставщиков.

Параметры оптических волокон:

Тип OB Символы позиции 3.4 таблицы 1 ТУ	Многомодовое		Одномодовое
	М	В	Е	А	Н	С
Рекомендация МСЭ-Т	G.651	-	G.652B	G.652C(D)	G.655	G.656
Геометрические характеристики
Диаметр отражающей оболочки, мкм	125 ± 1	125 ± 1	125 ± 1	125 ± 1	125 ± 1	125 ± 1
Диаметр по защитному покрытию, мкм	250 ± 15	250 ± 15	250 ± 15	250 ± 15	250 ± 15	250 ± 15
Некруглость отражающей оболочки, %, не более	1	1	1	1	1	1
Неконцентричность сердцевины, мкм, не более	1,5	1,5	-	-	-	-
Диаметр сердцевины, мкм	50 ± 2,5	62,5 ± 2,5
Диаметр модового поля, мкм, на длине волны: 1310 нм 1550 нм	- -	- -	9,2 ± 0,4 10,4 ± 0,8	9,2 ± 0,4 10,4 ± 0,8	- 9,2 ± 0,4	- 7,7 ± 0,4
Неконцентричность модового поля, мкм, не более	-	-	0,8	0,5	0,8	0,6
Передаточные характеристики
Рабочая длина волны, нм	850 и 1300	850 и 1300	1310 и 1550	1275 ÷ 1625	1550	1460 ÷ 1625
Коэффициент затухания OB, дБ/км, не более, на длине волны: 850 нм 1300 нм 1310 нм 1383 нм 1460 нм 1550 нм 1625 нм	2,4 0,7 - - - - -	3,0 0,7 - - - - -	- - 0,36 - - 0,22 -	- - 0,36 0,31 - 0,22 -	- - - - - 0,22 0,25	- - - - 0,35 0,23 0,26
Числовая апертура	0,200 ± 0,015	0,275 ± 0,015	-	-	-	-
Ширина полосы пропускания, МГц×км, не менее, на длине волны: 850 нм 1300 нм	400 ÷ 1000 600 ÷ 1500	160 ÷ 300 500 ÷ 1000	- -	- -	- -	- -
Коэффициент хроматической дисперсии пс/(нм×км), не более, в интервале длин волн: 1285÷1330 нм 1460÷1625 нм (G.656) 1530÷1565 нм (G.655) 1565÷1625 нм (G.655) 1525÷1575 нм	- - - - -	- - - - -	3,5 - - - 18	3,5 - - - 18	- - 2,6 - 6,0 4,0 - 8,9 -	- 2,0 - 8,0 4,0 - 7,0 - -
Длина волны нулевой дисперсии, нм	-	-	1300 ÷ 1322	1300 ÷ 1322	-	-
Наклон дисперсионной характеристики в области длины волны нулевой дисперсии, в интервале длин волн, пс/нм²×км, не более	0,101	0,097	0,092	0,092	0,05	-
Длина волны отсечки (в кабеле), нм, не более	-	-	1270	1270	1470	1450
Коэффициент поляризационной модовой дисперсии на длине волны 1550 нм, пс/км, не более	-	-	0,2	0,2	0,2	0,1
Прирост затухания из-за макроизгибов (100 витков × Ø 6О мм), дБ: λ = 1550 нм/1625 нм			0,5	0,5	0,5	0,5

Где купить?

Купить многомодовый и одномодовый оптический кабель (цена и условия поставки уточняются отдельно, в зависимости от конкретных особенностей продукции и пожеланий заказчика) можно прямо на нашем сайте. Для этого просим заполнить соответствующую форму в on-line заказ . В наличии постоянно имеется кабель оптический многомодовый 4 волокна, одномодовый самонесущий оптический кабель, оптический кабель одномодовый 4 волокна и 8 волокон, и другие виды ОК (см. Каталог).

По согласованию заказчика и изготовителя допускается поставка кабеля с параметрами, отличающимися от приведенных в таблице.