Одномодовое и многомодовое волокно. Типы одномодовых волокон
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 гидрофобн
ым 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 | ||
Характеристики и типы оптического волокна
G.652 — Стандартное одномодовое волокно
Является наиболее широко используемым одномодовым оптическим волокном в телекоммуникациях.
Одномодовое ступенчатое волокно с несмещенной дисперсией служит основополагающим компонентом оптической телекоммуникационной системы и классифицируется стандартом G.652. Наиболее распространенный вид волокна, оптимизированный для передачи сигнала на длине волны 1310 нм. Верхний предел длины волны L-диапазона составляет 1625 нм. Требования на макроизгиб — радиус оправки 30 мм.
Стандарт разделяет волокна на четыре подкатегории A, B, C, D.
Волокно G.652. А отвечает требованиям, необходимым для передачи информационных потоков уровня STM 16, — 10 Гбит/с (Ethernet) до 40 км, в соответствии с Рекомендациями G.691 и G.957, а также уровня STM 256, согласно G.691.
Волокно G.652.B соответствует требованиям, необходимым для передачи информационных потоков уровня до STM 64 в соответствии с Рекомендациями G.691 и G.692, и уровня STM 256, согласно G.691 и G.959.1.
Волокна G.652.C и G.652.D позволяют осуществлять передачу в расширенном диапазоне длин волн 1360-1530 нм и обладают пониженным затуханием на «пике воды» («пик воды» разделяет окна прозрачности в полосе пропускания одномодовых световодов в диапазонах 1300 нм и 1550 нм). В остальном аналогичны G.652.A и G.652.B.
G.652.A/B — эквивалент OS1 (классификация ISO/IEC 11801), G.652.C/D – эквивалент OS2.
Использование волокна - G.652 при более высоких скоростях передачи на расстояния более 40 км приводит к несоответствию эксплуатационных качеств со стандартами для одномодового волокна, требует усложнения оконечной аппаратуры.
G.655 — Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией(NZDSF)
Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF оптимизировано для передачи не одной длины волны, а сразу нескольких длин волн (мультиплексного волнового сигнала WDM и высокоплотного волнового сигнала DWDM). Волокно Corning защищено двойным акрилатным покрытием СРС, обеспечивающим высокую надежность и работоспособность. Наружный диаметр покрытия равен 245 мкм.
Волокно с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF) предназначено для применения в магистральных волоконно-оптических линиях и глобальных сетях связи, использующих DWDM-технологии. В этом волокне поддерживается ограниченный коэффициент хроматической дисперсии во всем оптическом диапазоне, используемом в волновом мультиплексировании (WDM). Волокна NZDSF оптимизированы для использования в диапазоне волн от 1530 нм до 1565 нм.
Оптические волокна категории G.655.А обладают параметрами, обеспечивающими их применение в одноканальных и многоканальных системах с оптическими усилителями (Рекомендации G.691, G.692, G.693) и в оптических транспортных сетях (Рекомендация G.959.1). Рабочие длины волн и дисперсия в волокне данной подкатегории ограничивают мощность входного сигнала и их применение в многоканальных системах.
Оптические волокна категории G.655.B аналогичны G.655.А. Но в зависимости от рабочей длины волны и дисперсионных характеристик мощность входного сигнала может быть выше, чем для G.655.А. Требования в части поляризационной модовой дисперсии обеспечивают функционирование систем уровня STM-64 на расстоянии до 400 км.
Категория волокон G.655.C подобна G.655.B, однако более строгие требования в части поляризационной модовой дисперсии позволяют использовать на данных оптических волокнах системы уровня STM-256 (Рекомендация G.959.1) или же увеличивать дальность передачи систем STM-64.
G.657 — Одномодовое волокно с уменьшенными потерями на изгибах с малыми радиусами
Оптическое волокно повышенной гибкости версии G.657 находит широкое применение в оптических кабелях для прокладки в сетях многоэтажных домов, офисов и т.д. Волокно G.657.A по своим оптическим характеристикам полностью идентично стандартному волокну G.652.D и в то же время имеет вдвое меньший допустимый радиус при укладке – 15 мм. Волокно G.657.В применяется на ограниченных расстояниях и обладает особо малыми потерями на изгибах.
Одномодовые оптические волокна характеризуются малым уровнем потерь на изгибах, предназначены в первую очередь для сетей FTTH многоквартирных зданий, а их преимущества особенно очевидны на ограниченном пространстве. Работать с волокном стандарта G.657, можно практически как с медножильным кабелем.
Для волокон типа G.657.A он составляет от 8,6 до 9,5 мкм, а для волокон типа G.657.B — от 6,3 до 9,5 мкм.
Нормы потерь на макроизгибах существенно ужесточены, поскольку этот параметр для G.657 является определяющим:
Десять витков волокна подкатегории G.657.A, намотанного на оправку радиусом 15 мм, не должны увеличивать затухание более чем на 0,25 дБ при длине волны 1550 нм. Один виток того же волокна, намотанного на оправку диаметром 10 мм, при условии, что остальные параметры не изменены, не должен увеличивать затухание более чем на 0,75 дБ.
Десять витков подкатегории G.657.B на оправке диаметром 15 мм, не должны увеличивать затухание более чем на 0,03 дБ при длине волны 1550 нм. Один виток на оправке диаметром 10 мм — более чем на 0,1 дБ, один виток на оправке диаметром 7,5 мм — более чем на 0,5 дБ.
Международной организацией по стандартизации (ISO) и Международной электротехнической комиссией (IEC) был опубликован стандарт ISO/IEC 11801 – «Информационные технологии - структурированные кабельные системы для помещений заказчика»
Стандарт задает структуру и требования к реализации универсальной кабельной сети, а также требования к производительности отдельных кабельных линий.
В стандарте для линий Gigabit Ethernet оптические каналы различаются по классам (аналогично категориям медных линий). OF300, OF500 и OF2000 поддерживают приложения оптического класса на расстояниях до 300, 500 и 2000 м.
| Класс канала | Затухание ММ-канала (дБ/Км) | Затухание SM-канала (дБ/Км) | ||
| 850 нм | 1300 нм | 1310 нм | 1.550 нм | |
| OF300 | 2.55 | 1.95 | 1.80 | 1.80 |
| OF500 | 3.25 | 2.25 | 2.00 | 2.00 |
| OF2000 | 8.50 | 4.50 | 3.50 | 3.50 |
Кроме классов каналов, во втором издании этого стандарта определены три класса ММ-волокна - OM1, OM2 и OM3 - и один класс SM-волокна - OS1. Эти классы дифференцируются по затуханию и коэффициенту широкополосности.
Все линии короче 275 м могут работать по протоколу 1000Base-Sx. Длину до 550 м, можно обеспечить, используя протокол 1000Base-Lx совместно со смещенным вводом светового луча (Mode Conditioning).
| Класс канала | Fast Ethernet | GigaBit Ethernet | 10 GigaBit Ethernet | |
| 100 Base T | 1000 Base SX | 1000 Base LX | 10GBase-SR/SW | |
| OF300 | OM1 | OM2 | OM1* , OM2* | OM3 |
| OF500 | OM1 | OM2 | OM1 *, OM2 * | OS1 (OS2) |
| OF2000 | OM1 | - | OM2 Plus, ОМЗ | OS1 (OS2) |
*) Mode Conditioning
Многомодовое волокно класса OM4 характеризуется минимальным коэффициентом широкополосности 4700 МГц x км при длине волны 850 нм (по сравнению с 2000 МГц х км волокна типа OM3) и является результатом оптимизации характеристик волокна ОМ3, обеспечивающих возможность достижения скорости передачи данных 10 Гб/с на расстоянии 550 метров. Новый сетевой стандарт IEEE 802.3ab 40 и 100 Гигабит Ethernet отметил, что новый тип многомодового волокна ОМ4 позволяет передать 40 и 100 Гигабит Ethernet на расстоянии до 150 метров. Волокна класса OM4 планируется использовать в будущем с оборудованием 40Gbps и наиболее широко при оборудовании ЦОД.
OM 1 и OM2 – Стандартные многомодовые волокна с сердцевиной 62,5 и 50 микрон соответсвенно.
Кабели, патчкорды и пигтейлы с многомодовыми волокнами типов ОМ1 62,5/125мкм и ОМ2 50/125мкм уже давно применяются в СКС для обеспечения передачи данных с высокой скоростью и на относительно большие расстояния, которые требуется в магистралях. Наиболее важными функциональными параметрами ММ-волокна является затухание (attenuation) и коэффициент широкополосности (bandwidth). Оба параметра определяются для длин волн 850 нм и 1300 нм, на которых работает большая часть активного сетевого оборудования.
Является специально разработанным многомодовым оптическим волокном применяемое для сетей Gigabit и 10 Gigabit Ethernet, существует только с размером сердцевины 50 микрон.
OM4 – Оптическое многомодовое волокно с сердцевиной 50 микрон «лазер-оптимизированное» нового поколения.
Многомодовое волокно типа ОМ4 – в настоящее время полностью соответствует современным стандартам волокон, предусмотренных для центров обработки данных и групп серверов следующего поколения. Оптическое волокно ОМ4 может быть использовано для более протяжённых линий в сетях передачи данных нового поколения с высочайшей производительностью передачи данных. Это волокно представляет собой результат дальнейшей оптимизации характеристик волокна ОМ3, позволяющего придать волокну характеристики, обеспечивающие возможность достижения скорости передачи данных 10 Гб/с на расстоянии 550 метров. Волокна типа OM4 характеризуются повышенной эффективной минимальной модальной полосой пропускания 4700 МГц км при длине волны 850 нм (по сравнению с 2000 МГц км волокна типа OM3).
Одномодовый и многомодовый оптический кабель
Тонкая прозрачная жила, переносящая в себе свет, определена оптоволокном . Основное предназначение оптического кабеля - это основа линий, способных передавать пакет цифровых данных на сверх быстрой скорости. Оптика по своей структуре немногочисленна: ядро, обшивка внутренняя и обшивка внешняя, защищающая оптоволокно от внешних негативных факторов. Каждый из этих элементов играет свою роль в функционировании оптоволокна.
На сегодняшний день известны виды оптоволокна: одномодовое и многомодовое .
Одномодовый оптический кабель
В одномодовом оптическом кабеле размер ядра составляет +/-9 мм при стандартном размере обшивки 125 мм. Выполнять своё функциональное назначение может только одна жила, что характерно для этого вида оптоволокна. При прохождении лучей по оптоволокну траектория их движения является неизменной и одновременной, поэтому структура подаваемого сигнала не может искажаться. Цифровые сигналы могут передаваться на многокилометровые расстояния без опасности возникновения лучевого рассеивания. Для работы с моножильной оптикой используется лазер, который использует свет с определенным волновым размером. Хорошие общие характеристики дают основания для использования оптоволокна этого вида повсеместно, однако его большая стоимость и относительная недолговечность снижают критерии оценки.
В свою очередь, одномодовое оптоволокно может быть :
- со смещенным лучевым рассеиванием
.
Оптоволокно этого вида отличается меньшим диаметром сердцевины, что позволяет использовать его в рабочем диапазоне 1,5 мкм на широкополостных линиях с применением оптических усилителей. - со смещенной минимальной длиной волны
,
при которой оптоволокно может поддерживать один распространяемый сигнал. Такое оптоволокно применяет большой показатель мощности при передаче данных на длительные расстояния, и было разработано для применения его в морских линиях. - с ненулевым смещенным лучевым рассеиванием
.
При использовании оптоволокна этого вида нелинейные эффекты не смогут влиять на качество подаваемого сигнала и его структуру, что представляет возможным применение этого оптоволокна в системах DWDM технологии.
Многомодовый оптический кабель
В многомодовым оптическом кабеле (см.раздел) лучи света существенно разбрасываются, и при этом происходит значительное искажение структуры передаваемого сигнала. Ядро имеет показатель +/- 60 мкм, обшивка стандартна - 125 мкм. Применение обычного светодиода для функционирования мультижилы (в отличие от лазера, который используется в моножильном оптоволокне) обеспечивает увеличение эксплуатационного срока оптоволокна и положительно сказывается на его стоимости. В то же время показатель затухания в мультижиле увеличен в сравнении с моножилой и колеблется в пределах 15 дБ/км.
Многомодовое оптоволокно различается на ступенчатое и градиентное .
Волоконно-оптический кабель ступенчатый имеет большое лучевое рассеивание из-за неравномерных скачкообразных слоев плотности кварцевого ядра, поэтому его применение ограничено короткими линиями связи. Оптоволокно градиентное отличается уменьшенным лучевым рассеиванием, благодаря плавному распределению показателя преломления. Диаметр ядра градиентного мультижильного оптоволокна составляет +/- 55 мкм, обшивка имеет стандартное значение (125 мкм).
Прочитано 9773 раз Последнее изменение Воскресенье, 21 декабря 2014 02:00
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 |
Из одной удаленной точки до другой, все чаще вместо традиционного медного провода заказчику подрядными организациями предлагается прокладка Об этой интересной технологии мы сегодня и поговорим.
Работают на принципе передачи световой волны по специальному каналу, выполненному из особо чистого, кварцевого стекла. Электрические импульсы электронного оборудования поступают на который генерирует поток световых вспышек и передает их в кабель. На другом конце приемник получает световой поток и транскодирует его обратно в Поскольку весь процесс контролируется электроникой и представляет из себя цифровые преобразования, искажения минимальны.
Чтобы построить такие ВОЛС, используют специальный материал - одномодовое волокно и многомодовое.
Оптические линии получили такое широкое распространение не только благодаря отсутствию помех при передаче сигнала. В числе неоспоримых достоинств этой технологии широкая полоса, очень слабое затухание сигнала, непревзойденная стойкость к любым помехам электромагнитной природы, огромная дальность передачи, составляющая многие десятки километров. Весомым плюсом является и долгий срок службы коммуникаций, проложенных с помощью ВОЛС, составляющий минимум 25 лет.
Виды оптоволокна
При монтаже линий связи с применением ВОЛС выбирают либо многомодовое, либо одномодовое волокно.
Из чего состоит такой кабель? Ядром оптоволокна является кварцевое, сверхчистое стекло, которое и пропускает через себя световой поток. А распыление его не происходит, потому что коэффициент преломления оболочки ниже, чем у ядра, следовательно, световой луч полностью отражается от стенок внутри волокна.
Многомодовое оптоволокно хорошо тем, что в него можно запустить сразу несколько сотен световых мод, которые вводятся под разными углами. Каждая такая мода имеет свою собственную траекторию и, как следствие, уникальное время распространения.
Главный недостаток такого типа волокон - модовая дисперсия, которая сужает и ограничивает максимальную длину линии. Передатчики для многомодовых линий связи обычно имеют предельную дальность около 5 километров.
Проблему снижения модовой дисперсии решает кабель с градиентным профилем преломления сердцевины. В таком оптоволокне, в отличие от стандартных вариантов, параметры преломления уменьшаются от центра ядра к оболочке, что дает значительное улучшение параметров передаваемого сигнала.
Одномодовое волокно спроектировано, исходя из задачи пропуска через всего одной моды (основной). Этот подход дает много преимуществ. Некоторые характеристики у кабеля, выполненного по одномодовой технологии, на порядок лучше, чем у того, что изготовлен по многомодовой. Именно это является решающим фактором, который влияет на выбор инженеров в пользу первой при прокладке новых ВОЛС. Ведь одномодовое волокно дает затухание сигнала на уровне 0,25db на километр, величина дисперсии в нем очень мала, а широкая полоса пропускания обеспечивает четкую и быструю передачу больших объемов данных без искажений.
Но есть в этой бочке меда и ложка дегтя. Этот тип намного дороже, чем многомодовые волокна. Так как размер световодного ядра в одномодовом кабеле очень мал, ввод излучения в такой кабель является непростой задачей и требует очень тщательного контроля при сращивании. Концевые разъемы для этих линий также стоят намного дороже, чем концевики многомодовых линий. К тому же у последних благодаря простоте ввода светового пучка в широкое ядро очень простые и дешевые излучатели, которые к тому же выпускаются огромным количеством конкурирующих компаний.
Волокна из кварцевого стекла, получившие наибольшее распространение в системах телекоммуникаций, разделяют на две основных категории - одномодовое (SM - single-mode) и многомодовое (MM - multimode). Оба типа имеют свои преимущества и недостатки, которые необходимо учитывать при проектировании линии связи. Многомодовому оптическому волокну посвящена . Базовые вопросы волоконно-оптической связи (понятие оптоволокна, его основные характеристики, понятие моды…) обсуждаются в статье « ».
Структура одномодового волокна и особенности передачи оптического излучения
Одномодовое волокно , как следует из названия, способно распространять на рабочей длине волны только одну основную (фундаментальную) моду оптического излучения. Одномодовый режим достигается за счет очень маленького диаметра сердцевины (обычно 7-10 мкм). Основная мода распространяется вблизи центральной оси волокна, при этом часть оптической мощности распространяется в оболочке, что повышает требования к оптическим свойствам оболочки. Чтобы учесть эту особенность, для описания одномодового оптического волокна помимо диаметра сердцевины используется еще и такой параметр, как диаметр модового пятна , который определяется как диаметр окружности, на которой мощность излучения уменьшается в е раз. Иными словами, в пределах этой окружности распространяется бо́льшая часть оптического излучения. (рис. 1). Очевидно, что диаметр модового пятна чуть больше диаметра сердцевины.
Рис. 1. Понятие модового пятна
Применительно к одномодовому оптическому волокну также вводится параметр длины волны отсечки . Если длина волны излучения меньше длины волны отсечки, в волокне начинают распространяться несколько мод, то есть оно становится многомодовым. Это важно учитывать при выборе рабочей длины волны. В стандартном одномодовом волокне длина волны отсечки имеет величину 1260 нм. Типичные рабочие длины волн для одномодового кварцевого волокна - 1310 и 1550 нм (второе и третье окна прозрачности, затухание меньше 0,4 дБ/км, см. рис. 2).
Рис. 2. Затухание в одномодовом кварцевом волокне
Набольшее распространение в телекоммуникациях получило кварцевое одномодовое волокно с соотношением диаметров сердцевины и оболочки 9/125 мкм. Как и в случае многомодового волокна, на одномодовое волокно наносится первичное защитное покрытие диаметром примерно 250 мкм (бывают другие размеры).
Отличия от многомодового волокна
В одномодовом волокне отсутствует межмодовая дисперсия, то есть уширение сигнала во времени из-за разницы в скорости распространения мод. Поэтому одномодовое волокно характеризуется очень большой величиной ширины полосы пропускания (десятки и даже сотни ТГц*км). Стандартное одномодовое волокно имеет ступенчатый профиль показателя преломления.
Величина затухания в одномодовом оптоволокне в несколько раз меньше, чем в многомодовом и примерно в 1000 раз меньше, чем затухание в кабеле на витой паре Cat6 (данные для частоты 500 МГц).
Таким образом, одномодовое волокно позволяет передавать информацию на очень большие расстояния (до 300 км) на высокой скорости без ретрансляции (восстановления) сигнала, причем характеристики передачи определяются главным образом свойствами активного оборудования.
С другой стороны, одномодовое волокно требует большой точности при вводе излучения и при стыковке оптических волокон друг с другом, что повышает стоимость используемых волоконно-оптических компонентов (активное оборудование, соединительные изделия) и усложняет процесс монтажа и обслуживания линий.
История и классификация
Первые одномодовые волокна появились в начале 1980-х годов и, благодаря своим отличным характеристикам передачи, стали активно использоваться в протяженных линиях связи. В то же время для передачи на короткие расстояния, например, в локальных сетях, продолжалось использование многомодового волокна. Со временем, в связи с уменьшением стоимости как самого волокна, так и компонентов для него, одномодовое волокно стало завоевывать все большую популярность и в непротяженных сетях. Таким образом, сегодня кварцевое одномодовое волокно является самым распространенным типом оптического волокна для передачи информации.
Для многомодовых волокон традиционным стало деление на 4 класса (OM1, OM2, OM3, OM4), в соответствии со стандартом ISO/IEC 11801. Для одномодового волокна существует похожее деление, однако оно далеко не так однозначно.
Международный стандарт ISO/IEC 11801 и европейский стандарт EN 50173, выпущенные в 1995 году, описывали только один тип одномодового волокна, получивший обозначение OS1 (Optical Single-Mode). Величина затухания, указанная для него, составляла 1 дБ/км на длинах волн 1310 и 1550 нм. По мере увеличения скорости и дальности передачи информации, стало ясно, что оптоволокно с таким затуханием уже не отвечает необходимым требованиям. Поэтому появилась новая категория одномодового волокна, названная OS2, в котором затухание было менее 0,4 дБ/км, причем это оптическое волокно имело низкий водный пик (увеличение затухания на длине волны 1383 нм, см. рис. 2). Параметры затухания указывались для волокна, заключенного в кабель. Традиционно считалось, что OS1 следует применять в кабелях с плотным буфером (tight buffer) для внутренней прокладки, а OS2 - в кабелях со свободным буфером (loose tube) для наружной прокладки.
В дальнейшем стандарты ISO/IEC и EN несколько раз переиздавались, и в них появлялись отличия в описании волокон OS1 и OS2. Это стало причиной путаницы в этих понятиях. Однако стоит отметить, что сегодня одномодовое волокно с затуханием 1 дБ/км практически не выпускается. Поэтому, в сущности, необходимость в такой классификации отпадает. Часто производители одномодовых волокон и кабелей обозначают свои изделия как OS2.
В дальнейшем появилось еще несколько разновидностей одномодовых кварцевых волокон, характеристики которых отличаются более существенно. Эти волокна были описаны в стандартах ITU-T G.652-657, IEC 60793-2-50, TIA-492CA/TIA-492EA. Отметим некоторые из этих разновидностей, которые представляют практический интерес в телекоммуникациях. Для определенности будем пользоваться рекомендациями ITU-T, которые чаще всего используются по отношению к одномодовому оптоволокну.
Типы одномодовых волокон
1. Одномодовое волокно с несмещенной дисперсией, G.652
Наиболее распространенный тип одномодового волокна с точкой нулевой хроматической дисперсии на длине волны 1300 нм. Стандарт выделяет четыре подкласса (A, B, C и D), отличающихся своими характеристиками. Особо стоит отметить волокна G.652.C и G.652.D - они имеют низкое затухание на длине волны 1383 нм, то есть в области «водного пика», а потому могут использоваться в системах CWDM. Такие волокна еще называют «всеволновыми».
2. Одномодовое волокно с нулевой смещенной дисперсией, G.653
(ZDSF - Zero Dispersion-Shifted Fiber)
Изменяя профиль показателя преломления, можно сдвинуть точку нулевой дисперсии в третье окно прозрачности (1550 нм), что позволяет увеличить дальность передачи сигнала при работе в этом диапазоне.
3. Одномодовое волокно со смещенной длиной волны отсечки, G.654
Этот тип волокна имеет точку нулевой дисперсии на 1300 нм. Однако благодаря чуть большему диаметру сердцевины длина волны отсечки и область минимального затухания смещены в область длин волн 1550 нм. Такое оптоволокно может использоваться для цифровой передачи на большие расстояния, например, в наземных системах дальней связи и магистральных подводных кабелях с оптическими усилителями.
4. Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией, G.655
(NZDSF - Non-Zero Dispersion Shifted Fiber)
Предназначено для передачи на длинах волн вблизи 1550 нм и оптимизировано для систем DWDM. Абсолютное значение коэффициента хроматической дисперсии в этом волокне больше некоего ненулевого значения в диапазоне длин волн от 1530 нм до 1565 нм. Ненулевая дисперсия препятствует возникновению нелинейных эффектов, которые особенно вредны для DWDM систем.
5. Одномодовое волокно c ненулевой смещенной дисперсией для широкополосной передачи, G.656
Подобно волокну G.655, имеет ненулевое значение коэффициента хроматической дисперсии, но уже в диапазоне длин волн 1460-1625 нм, поэтому хорошо подходит как для систем DWDM, так и для CWDM.
6. Одномодовое волокно, не чувствительное к потерям на макроизгибе, G.657 (Bend-Insensitive)
Помимо оптических свойств, важную роль играют и механические характеристики оптоволокна, в частности, его чувствительность к изгибам. Особенно это важно при прокладке внутри помещения, где волокно часто нужно изгибать. Стандарт G.657 выделяет несколько подклассов одномодового волокна, отличающихся минимальным радиусом изгиба и соответствующей величиной потерь (на одном или нескольких витках).
Описанные стандарты оптических волокон не всегда взаимоисключают друг друга. К примеру, распространенное оптоволокно компании Corning марки SMF-28® Ultra соответствует стандартам G.652.D и G.657.A1. В то же время бывают случаи, когда оптические волокна разных типов не совместимы друг с другом.
Активные компоненты
Поскольку одномодовое волокно имеет маленький диаметр сердцевины, в качестве источников излучения для него используются узконаправленные полупроводниковые лазеры, работающие во втором и третьем окнах прозрачности кварцевого волокна. Как правило, используются следующие типы лазеров:
1) Лазер с резонатором Фабри-Перо (FP - Fabry-Perot) - простейший тип полупроводникового лазера, характеризующийся большой шириной спектра (2 нм). Широкий спектр приводит к увеличению влияния хроматической дисперсии, что ограничивает расстояние передачи сигнала.
2) Лазер с распределенной обратной связью (DFB - distributed feedback) имеет конструкцию, способствующую уменьшению ширины спектра излучения до 0,1 нм, что позволяет использовать такие лазеры в более высокоскоростных и протяженных системах.
3) Лазер с внешней модуляцией (EML - externally modulated laser). Предыдущие типы излучателей относятся к категории лазеров с внутренней (прямой) модуляцией, при которой мощность излучения модулируется непосредственно током питания лазера. В системах, где важную роль играет стабильность длины волны излучения (например, в высокоскоростных системах и в системах WDM) применяются DFB лазеры, излучение которых модулируется внешним устройством модулятором.
Применение одномодового волокна
Итак, использование одномодового кварцевого волокна позволяет осуществить передачу информационного сигнала на десятки и даже сотни километров на высокой скорости (десятки Гбит/с).
Кроме того, как уже было отмечено выше, некоторые виды одномодового волокна можно использовать в сетях со спектральным уплотнением каналов (CWDM, DWDM), когда по одному оптоволокну одновременно распространяется излучение на нескольких длинах волн, причем в обоих направлениях (рис. 3). Это позволяет увеличить скорость передачи и объем передаваемой информации еще в большей степени. Частным случаем применения спектрального уплотнения является пассивная оптическая сеть (PON), в которой информация передается на трех длинах волн (1310, 1490 и 1550 нм).
Рис. 3. Каналы CWDM и DWDM и спектр затухания одномодового волокна (сплошная линия - стандартное волокно с водным пиком на 1383 нм, пунктирная линия - волокно с низким водным пиком)
________________________________________________________________