Багатомодовий та одномодовий оптичний кабель, відмінності, застосування. Багатомодове кварцове оптичне волокно (MM)

Оптичні волокно стандарт де-факто під час побудови магістральних мереж зв'язку. Протяжність волоконно-оптичних ліній зв'язку Росії у великих операторів зв'язку сягає > 50 тыс.км.
Завдяки волокну ми маємо всі ті переваги у зв'язку, яких не було раніше.
Ось і спробуємо розглянути винуватця урочистості - оптичне волокно.

У статті спробую написати просто про оптичні волокна, без математичних викладок та з простими людськими поясненнями.

Стаття суто ознайомлювальна, тобто. не містить унікальних знань, все що буде описано може бути знайдено в купі книг, однак, це не копіпаст, а вичавки з «купи» інформації тільки суті.

Класифікація

Найчастіше волокна поділяють на 2 загальних типуволокон
1. Багатомодові волокна
2. Одномодові

Дамо пояснення на «побутовому» рівні, що є одномод і багатомод.
Представимо гіпотетичну систему передачі з волокном устромленим у неї.
Нам треба передати двійкову інформацію. Імпульси електрики у волокні не поширюються, бо діелектрик, тому ми будемо передавати енергію світла.
Для цього нам потрібне джерело світлової енергії. Це можуть бути світлодіоди та лазери.
Тепер ми знаємо що ми використовуємо як передавач - це світло.

Подумаємо як світло вводиться у волокно:
1) Світлове випромінюваннямає свій спектр, тому якщо серцевина волокна широка (це в багатомодовому волокні), то більше спектральних складових світла потрапить у серцевину.
Наприклад ми передаємо світло на довжині хвилі 1300нм (наприклад), серцевина багатомода широка, те й шляхів поширення хвиль більше. Кожен такий шлях і є моди

2) Якщо серцевина маленька (одномодове волокно), то шляхів поширення хвиль відповідно зменшується. І оскільки додаткових мод набагато менше, то й не буде модової дисперсії (про неї нижче).

Це основна відмінність багатомодового та одномодового волокон.
Дякую enjoint, tegger, hazankoза зауваження.

Багатомодовіу свою чергу діляться на волокна зі ступінчастим показником заломлення (step index multi mode fiber) та з градієнтним (graded index m/mode fiber).

Одномодовіділяться на ступінчасті, стандартні (standard fiber), зі зміщеною дисперсією (dispersion-shifted) та ненульовою зміщеною дисперсією (non-zero dispersion-shifted)

Конструкція оптичного волокна

Кожне волокно складається з серцевини та оболонки з різними показникамизаломлення.
Серцевина (яка є основним середовищем передачі енергії світлового сигналу) виготовляється з оптично більш щільного матеріалу, оболонка - з менш.

Так, наприклад, запис 50/125 говорить про те, що діаметр серцевини дорівнює 50 мкм, оболонки – 125мкм.

Діаметри серцевини рівні 50мкм та 62,5мкм є ознаками багатомодових оптичних волокон, а 8-10мкм відповідно одномодовим.
Оболонка, як правило, завжди має діаметр розміром 125мкм.

Як видно діаметр серцевини одномодового волокна має набагато менший розмір, ніж діаметр багатомодового. Найменший діаметр серцевини дозволяє зменшити модову дисперсію (про яку, можливо, буде написано в окремій статті, а також питання поширення світла у волокні), а відповідно збільшити дальність передачі. Однак, тоді одномодові волокна витіснили б багатомоди, завдяки кращим «транспортним» характеристикам, якби не необхідність використовувати дорогі лазери з вузьким спектром випромінювання. У багатомодових волокнах використовуються світлодіоди з більш розмазаним спектром.

Тому для недорогих оптичних рішень, таких як локальні мережіінтернет-провайдерів застосування багатомоду трапляється.

Профіль показника заломлення

Весь танець з бубном біля волокна з метою збільшення швидкості передачі був навколо профілю показника заломлення. Оскільки основним стримуючим чинником збільшення швидкості є модова дисперсія.
Коротко суть у наступному:
коли випромінювання лазера надходить у серцевину волокна, то сигнал передається по ній у вигляді окремих мод (грубо: променів світла. А насправді різні спектральні складові сигналу, що вводиться)
Причому входять «промені» під різними кутами, тому час розповсюдження енергії окремо взятих мод відрізняється. Це показано на малюнку нижче.

Тут відображено 3 профілю заломлення:
ступінчастий та градієнтний для багатомодового волокна та ступінчастий для одномодового.
Видно, що в багатомодових волокнах моди світла поширюються різними шляхами, але, через постійний коефіцієнт заломлення серцевини з ОДИНКОВОЮ швидкістю. Ті моди, які змушені йти по ламаній лінії приходять пізніше, ніж моди, що йдуть прямою. Тому вихідний сигнал розтягується у часі.
Інша справа з градієнтним профілем, ті моди, які раніше йшли по центру, сповільнюються, а моди, які йшли ламаним шляхом, навпаки, прискорюються. Це сталося тому, що коефіцієнт заломлення осердя тепер непостійний. Він збільшується параболічно від країв до центру.
Це дозволяє збільшити швидкість передачі і отримати сигнал, що розпізнається на прийомі.

Області застосування оптичних волокон

До цього можна додати, що магістральні кабелі тепер усі майже йдуть з ненульовою зміщеною дисперсією, що дозволяє використовувати на цих кабелях спектральне хвильове ущільнення (

Переклад Анни Мотуш

Визначення: волокна, що підтримують більш ніж одну моду для певного напрямку поляризації

Багатомодові волокна - це оптичні волокна, що підтримують кілька поперечних мод для даної оптичної частоти та поляризації. Число мод визначається довжиною хвилі та показником заломлення матеріалу. Багатомодові волокна поділяються на волокна зі ступінчастим профілем показника заломлення та градієнтні.

Для волокон визначено значення радіусу серцевини та числової апертури, що дозволяють визначити V-параметр. Для більших значень V-параметра кількість мод пропорційно V 2 . Зокрема, для волокон з великим діаметром серцевини ( права частинарис 1), кількість мод може бути дуже великою. Такі волокна можуть доставляти світло з поганою якістю пучка (наприклад, що генерується потужними діодами), але для збереження якісного променя від джерела світла з високою яскравістю краще використовувати волокно з меншою серцевиною і з помірною числовою апертурою, хоча ефективне введення випромінювання в волокно може бути більше складним.

У порівнянні зі стандартним одномодовим волокном, багатомодове волокно зазвичай має велику серцевину, а також високу числову апертуру, наприклад, 0.2-0.3. Останнє дозволяє працювати при згинанні волокна, але також призводить до більш інтенсивного розсіювання, яке визначається порушенням геометричної формиоптичного волокна. Наслідком цих порушень є те, що частина променів залишає оптоволокно. Інтенсивність розсіювання залежить як від якості матеріалу, з якого виготовляється серцевина, а й від якості оболонки, оскільки частина оптичного сигналу поширюється у ній. Профіль показника заломлення переважно прямокутний, але іноді зустрічається і параболічний. (Див. нижче).

Багатомодове волокно складається з серцевини та оболонки. У поширених типах волоконно-оптичних ліній зв'язку (див. нижче) на основі багатомодових волокон 50/125 і 62,5/125 діаметр серцевини дорівнює 50 і 62.5 мікрон відповідно і діаметр оболонки 125 мікрон. Такі волокна підтримують сотні мод.

Ввести світло в багатомодове волокно досить легко, т.к. вимоги дотримання точності налаштування кута та положення променя не дуже строгі. З іншого боку, просторова когерентність на виході багатомодових волокон невелика, і розподіл інтенсивності випромінювання на виході складно контролювати з нижченаведених причин.

На малюнку 2 наведені профілі електричного поля модах з кроком заломлення волокна, розраховані для конкретної довжини хвилі. Це основна мода (LP 01) з розподілом інтенсивності, близьким до гауссівського, і кілька мод більше високого порядкуз складнішими просторовими профілями. Кожна мода має різну постійну розповсюдження. Будь-який розподіл поля можна як суперпозицію мод.

Сумарне електричне поле, Розповсюджене в багатомодовому волокні - суперпозиція декількох мод. Інтенсивність залежить тільки від оптичної потужності переважають у всіх модах, але й від відносної фази, тут може виникати максимум чи мінімум з допомогою інтерференції різних мод.

Обидва параметри - потужність і фаза, що визначаються початковими умовами, а відносні фази змінюються безперервно вздовж волокна через залежність від констант поширення. Отже, складна картина інтенсивності у часі постійно змінюється у межах довжини поширення значно менше 1 мм.

Малюнок 3 демонструє анімований приклад, де представлені розподіли інтенсивності, що відбуваються з інтервалом 2 мкм. Ця інтерференційна картина залежить від будь-яких змін при згинанні або розтягуванні волокон, а також від температури.

Зверніть увагу, що для світла з широкою оптичною пропускною здатністю (наприклад, для білого світла) таких складних розподілів інтенсивності немає тому, що графік інтенсивності різний кожної довжини хвилі, отже вклади від різних довжин хвиль усредняются. Чим довше волокно, тим нижче оптичний діапазон частот, необхідний цього усереднення.

Незважаючи на величезну різноманітність оптоволоконних кабелів, волокна у яких практично однакові. Більше того, виробників самих волокон набагато менше (найбільш відомі Corning, Lucent та Fujikura), ніж виробників кабелів.

За типом конструкції, вірніше за розміром серцевини, оптичні волокна поділяються на одномодові (ОМ) та багатомодові (ММ). Строго кажучи, вживати ці поняття слід щодо конкретної довжини хвилі, що використовується, але після розгляду Рисунка 8.2, стає зрозуміло, що на сьогоднішньому етапі розвитку технологій можна це не враховувати.

Мал. 8.3. Одномодові та багатомодові оптичні волокна

У разі багатомодового волокна діаметр сердечника (зазвичай 50 або 62,5 мкм) майже на два порядки більше, ніж довжина світлової хвилі. Це означає, що світло може поширюватися у волокні кількома незалежними шляхами (модам). При цьому очевидно, що різні модимають різну довжину, і сигнал на приймачі буде помітно "розмазаний" за часом.

Через це хрестоматійний тип ступінчастих волокон (варіант 1), постійним коефіцієнтомзаломлення (постійною щільністю) по всьому перерізу сердечника, що вже давно не використовується через велику модову дисперсію.

На зміну йому прийшло градієнтне волокно (варіант 2), яке має нерівномірну щільність матеріалу осердя. На малюнку добре видно, що довжина шляху променів сильно скорочена за рахунок згладжування. Хоча промені, що проходять далі від осі світловода, долають великі відстані, вони мають велику швидкість поширення. Відбувається це через те, що щільність матеріалу від центру до зовнішнього радіусу зменшується за параболічним законом. А світлова хвиля поширюється тим швидше, ніж менше щільністьсередовища.

В результаті довші траєкторії компенсуються більшою швидкістю. У разі вдалого підбору параметрів, можна звести до мінімуму різницю в часі поширення. Відповідно, міжмодова дисперсія градієнтного волокнабуде набагато менше, ніж у волокна з постійною густиною сердечника.

Однак, як би не були збалансовані багатоградні градієнтні волокна, повністю усунути цю проблему можна тільки при використанні волокон, що мають досить малий діаметр сердечника. У яких за відповідної довжини хвилі поширюватиметься один єдиний промінь.

Реально поширене волокно з діаметром сердечника 8 мікрон, що досить близько до звичайної довжини хвилі 1,3 мкм. Міжчастотна дисперсія при неідеальному джерелі випромінювання залишається, але її вплив на передачу сигналу в сотні разів менше ніж міжмодовою або матеріальною. Відповідно, і пропускна здатність одномодового кабелю набагато більша, ніж багатомодового.

Як це часто буває, більш продуктивний тип волокна має свої недоліки. Насамперед, звичайно, це більше висока вартість, обумовлена ​​вартістю комплектуючих та вимогами до якості монтажу.

Таб. 8.1. Порівняння одномодових та багатомодових технологій.

Параметри	Одномодові	Багатомодові
Довжини хвиль, що використовуються	1,3 та 1,5 мкм	0,85 мкм, рідше 1,3 мкм
Згасання, дБ/км.	0,4 - 0,5	1,0 - 3,0
Тип передавача	лазер, рідше світлодіод	світлодіод
Товщина осердя.	8 мкм	50 або 62,5 мкм
Вартість волокон та кабелів.	Близько 70% від багатомодового	-
Середня вартість конвертера у кручений пару Fast Ethernet.	$300	$100
Дальність передачі Fast Ethernet.	близько 20 км	до 2 км
Дальність передачі спеціально розроблених пристроїв Fast Ethernet.	понад 100 км.	до 5 км
Можлива швидкість передачі.	10 Гб, і більше.	до 1 Гб. на обмеженій довжині
Галузь застосування.	телекомунікації	локальні мережі

Оптоволокно (оптичне волокно)- це тонка скляна (іноді пластикова) нитка, призначена для передачі світлового потоку на великі відстані.

В даний час оптоволокно широко використовується як у промисловому, так і в побутовому масштабі. У XXI-му столітті оптоволокно та технології роботи з ним сильно впали в ціні завдяки новим досягненням у технічному прогресіі що раніше вважалося надто дорогим та інноваційним, сьогодні вже вважається повсякденним.

Яким же буває оптоволокно:

1. Одномодовим;
2. Багатомодовим;

У чому відмінність між цими двома типами оптоволокна?

Отже, в будь-якому оптоволокні є центральна жила та оболонка:

Одномодове оптоволокно

В одномодовому оптоволокні центральна жила становить 9 мкм, а оболонка волокна становить 125 мкм (звідси маркування одномодового волокна 9/125). Всі світлові потоки (моди) завдяки малому діаметру центральної жили проходять паралельно або центральною осі жили. Діапазон довжин хвиль, що використовуються в одномодовому оптоволокні, становить від 1310 до 1550 нм і використовують сфокусований вузьконаправлений лазерний промінь.

Багатомодове оптоволокно

У багатомодовому оптоволокні центральна жила становить 50 мкм або 62,5 мкм, а оболонка також 125 мкм. У зв'язку з цим багатомодовим оптоволокном передається безліч світлових потоків, які мають різні траєкторії і постійно відбиваються від «країв» центральної жили. Довжини хвиль, що використовуються в багатомодовому оптоволокні, становить від 850 до 1310 нм і використовують розсіяні промені.

Відмінності характеристик одномодового та багатомодового оптоволокна

Важливу роль мають загасання сигналів в одномодовому та багатомодовому оптоволокні. Згасання в одномодовому волокні за рахунок вузькоспрямованого променя в кілька разів нижче, ніж у багатомодовому, що ще раз підкреслює перевагу одномодового оптоволокна.

Нарешті одним із головних критеріїв – це пропускна здатність оптоволокна. І знову тут перевага має одномодове оптоволокно перед багатомодовим. Пропускна здатністьодномода в рази (якщо не сказати «на порядок») вище, ніж багатомода.

Завжди було прийнято вважати ВОЛЗ побудовані на багатомодовому оптоволокні набагато дешевше, ніж на одномодовому. Це було зумовлено тим, що в багатомоді як джерело світла використовувалися світлодіоди, а не лазери. Однак у Останніми рокамияк в одномоді так і в багатомоді стали застосовуватися лазери, що позначилося на зрівнянні цін на обладнання різного типуоптоволокна.

Ведуть свою історію з 1960 року, коли було винайдено перший лазер. При цьому саме оптичне волокно з'явилося лише через 10 років, і сьогодні саме воно є фізичною основою сучасного інтернету.

Оптичні волокна, застосовувані передачі даних, мають схоже будову. Світлопередавальна частина волокна (ядро, сердечник або серцевина) знаходиться в центрі, навколо нього розташовується демпфер (який іноді називають оболонкою). Завдання демпфера - створити межу поділу середовищ і дати випромінюванню покинути межі ядра.

І ядро, і демпфер виготовляються з кварцового скла, при цьому показник заломлення ядра дещо вищий, ніж показник заломлення демпфера, щоб реалізувати повне явище внутрішнього відображення. Для цього достатньо різниці в соті частки – наприклад, ядро ​​може мати показник заломлення n 1 = 1.468, а демпфер – значення n 2 ​​= 1.453.

Діаметр ядра одномодових волокон становить 9 мкм, багатомодових - 50 або 62.5 мкм, причому діаметр демпфера у всіх волокон однаковий і становить 125 мкм. Будова світловодів у масштабі показана на ілюстрації:

Ступінчастий профіль показника заломлення (step- index fiber) - найпростіший виготовлення світловодів. Він є прийнятним для одномодових волокон, де умовно вважається, що «мода» (маршрут поширення світла в ядрі) одна. Однак для багатомодових волокон із ступінчастим показником заломлення характерна висока дисперсія, спричинена наявністю великої кількостімод, що призводить до розсіювання, "розповзання" сигналу, і в результаті обмежує відстань, на якій можлива робота додатків. Мінімізувати дисперсію мод дозволяє градієнтний показник заломлення. Для багатомодових систем рекомендується використовувати саме волокна з градієнтним показником заломлення (graded- index fiber) , у яких перехід від ядра до демпфера немає «сходинки», а відбувається поступово.

Основний параметр, що характеризує дисперсію та, відповідно, здатність волокна підтримувати роботу додатків на певні відстані - коефіцієнт широкосмугового. В даний час багатомодові волокна діляться за цим показником на чотири класи, від OM1 (які не рекомендується застосовувати в нових системах) до найбільш продуктивного класу OM4.

Клас волокна	Розмір ядра/демпфера, мкм	Коефіцієнт широкосмугового зв'язку, режим OFL, МГц · км		Примітка
		850 нм	1300 нм
				Застосовується для розширення раніше встановлених систем. Використовувати у нових системах не рекомендується.
				Застосовується для підтримки програм з продуктивністю до 1 Гбіт/с на відстані до 550 м.
				Волокно оптимізовано для лазерних джерел. У режимі RML коефіцієнт широкосмугової довжини хвилі 850 нм становить 2000 МГц·км. Волокно застосовується для підтримки програм з продуктивністю до 10 Гбіт/с на відстані до 300 м.
				Волокно оптимізовано для лазерних джерел. У режимі RML коефіцієнт широкосмугової довжини хвилі 850 нм становить 4700 МГц·км. Волокно застосовується для підтримки програм з продуктивністю до 10 Гбіт/с на відстані до 550 м.

Одномодові волокна поділяються на класи OS1 (звичайні світловоди, що використовуються для передачі на довжинах хвиль або 1310 нм, або 1550 нм) і OS2, які можна застосовувати для широкосмугової передачі у всьому діапазоні від 1310 нм до 1550 нм, поділеному на канали навіть ширшому спектрі, наприклад, від 1280 до 1625 нм. на початковому етапівипуску волокна OS2 маркувалися позначенням LWP (Low Water Peak) Щоб підкреслити, що в них мінімізовані піки поглинання між вікнами прозорості. Широкосмугова передача в найбільш продуктивних одномодових волокнах забезпечує швидкості передачі понад 10 Гбіт/с.

Одномодовий та багатомодовий волоконно-оптичний кабель: правила вибору

Враховуючи описані характеристики багатомодових та одномодових волокон, можна навести рекомендації щодо вибору типу волокна залежно від продуктивності програми та відстані, на якій воно має працювати:

для швидкостей понад 10 Гбіт/с вибір на користь одномодового волокна незалежно від відстані

для 10-гігабітних додатків та відстаней понад 550 м вибір також на користь одномодового волокна

для 10-гігабітних додатків та відстаней до 550 м також можливе застосування багатомодового волокна OM4

для 10-гігабітних додатків та відстаней до 300 м також можливе застосування багатомодового волокна OM3

для 1-гігабітних додатків та відстаней до 600-1100 м можливе застосування багатомодового волокна OM4

для 1-гігабітних додатків та відстаней до 600-900 м можливе застосування багатомодового волокна OM3

для 1-гігабітних додатків та відстаней до 550 м можливе застосування багатомодового волокна OM2

Вартість оптичного світловоду багато в чому визначається діаметром ядра, тому багатомодовий кабель за інших рівних обходиться дорожче одномодового. При цьому активне обладнання для одномодових систем через використання в них потужних лазерних джерел (наприклад, лазер Фабрі-Перо) коштує значно дорожче за активку для багатомоду, де використовуються або відносно недорогі лазери поверхневого випромінювання VCSEL або ще дешевші світлодіодні джерела. При оцінці вартості системи необхідно враховувати витрати як на кабельну інфраструктуру, так і на активне обладнання, причому останні можуть виявитися значно більшими.

Сьогодні склалася практика вибору оптичного кабелю залежно від сфери використання. Одномодове волокно використовується:

у морських та трансокеанських кабельних лініяхзв'язку;

у наземних магістральних лініях телекомунікації;

у провайдерських лініях, лініях зв'язку між міськими вузлами, у виділених оптичних каналах великої протяжності; у магістралях до обладнання операторів мобільного зв'язку;

у системах кабельного телебачення(Насамперед OS2, широкосмугова передача);

у системах GPON з доведенням волокна до оптичного модему, що розміщується у кінцевого користувача;

у СКС у магістралях довжиною понад 550 м (як правило, між будинками);

у СКС, які обслуговують центри обробки даних, незалежно від відстані.

Багатомодове волокно в основному використовується:

у СКС у магістралях усередині будівлі (де, як правило, відстані укладаються у 300 м) та у магістралях між будинками, якщо відстань не перевищує 300-550 м;

у горизонтальних сегментах СКС та в системах FTTD ( fiber- to- the- desk), де користувачам встановлюються робочі станції з багатомодовими оптичними мережевими картками;

у центрах обробки даних на додаток до одномодового волокна;

у всіх випадках, де відстань дозволяє використовувати багатомодові кабелі. Хоча самі кабелі коштують дорожче, економія на активному устаткуванні покриває ці витрати.

Очікується, що найближчими роками волокно OS2 поступово витіснить OS1 (його знімають із виробництва), а багатомодових системах зникнуть волокна 62.5/125 мкм, оскільки їх повністю витіснять світловоди 50 мкм, ймовірно, класів OM3-OM4.

Тестування одномодових та багатомодових оптичних кабелів

Після встановлення всі встановлені оптичні сегменти підлягають тестуванню. Тільки вимірювання, проведені спеціальним обладнанням, дозволяють гарантувати характеристики встановлених ліній та каналів. Для сертифікації СКС застосовуються прилади з кваліфікованими джерелами випромінювання одному кінці лінії і вимірювачами іншому. Таке обладнання виготовляють компанії Fluke Networks, JDSU, Psiber; всі подібні пристрої мають встановлені бази допустимих оптичних втрат відповідно до телекомунікаційних стандартів TIA/EIA, ISO/IEC та інших. Більш протяжні оптичні лінії перевіряють за допомогою оптичних рефлектометрів, що мають відповідний динамічний діапазоні роздільну здатність.

На етапі експлуатації всі встановлені оптичні сегменти вимагають дбайливого поводження та регулярного використання спеціальних чистячих серветок, паличок та інших засобів очищення.

Непоодинокі випадки, коли прокладені кабелі пошкоджують, наприклад, при копці траншей або при виконанні ремонтних робітвсередині будівель. У цьому випадку для пошуку місця збою необхідний рефлектометр або інший діагностичний прилад, що базується на принципах рефлектометрії і показує відстань до точки збою (подібні моделі є у виробників Fluke Networks, EXFO, JDSU, NOYES (FOD), Greenlee Communication та інших).

Зустрічаються на ринку бюджетні моделіпризначені в основному для локалізації пошкоджень (поганих зварювань, урвищ, макровигинів і т.д.). Найчастіше вони не в змозі провести детальну діагностику оптичної лінії, виявити всі її неоднорідності та створити звіт. Крім цього, вони менш надійні та довговічні.

Якісне обладнання - навпаки надійно, здатне діагностувати ВОЛЗу найдрібніших деталях, скласти коректну таблицю подій, згенерувати звіт, що редагується. Останнє вкрай важливе для паспортизації оптичних ліній, тому що іноді зустрічаються зварні з'єднанняз настільки низькими втратами, що рефлектометр не може визначити таке з'єднання. Але ж зварювання все одно є, і його необхідно відобразити у звіті. В цьому випадку програмне забезпеченнядозволяє примусово встановити на рефлектограмі подію та ручному режимівиміряти втрати на ньому.

Багато професійних приладів також мають можливість розширення функціональних можливостейза рахунок додавання опцій: відеомікроскоп для інспектування торців волокон, джерела лазерного випромінювання та вимірювача потужності, оптичного телефону та ін.