Одномодовый многомодовый. Одномодовые и многомодовые оптические волокна

1.4.1.4 Типы многомодовых волокон

Стандарты Международного союза электросвязи (ITU-T) G 651 и Института инженеров по электротехнике (IEEE) 802.3 определяют характеристики многомодовых оптоволоконных кабелей. Увеличены требования к пропускной способности в многомодовом системах, включая Гигабитный Ethernet (GigE) и 10 GigE, имеют отношения к определениям четырех различных международных организаций для Стандартизации (ISO) категории.

1.4.1.5 50 мкм. против 62.5 мкм многомодовых волокон

В период 1970-ых годов, оптическая связь была основана на 50 мкм многомодовых волокнах источниками служили светодиоды и использовались и для малых и для больших расстояний. В 1980-ых стали использоваться лазеры и одномодовое оптоволокно и они долгое время оставались предпочтительным вариантом связи на дальние расстояния. В то же время многомодовые волокна были эффективнее и экономичнее для локальных сетей типа связи университетского городка на расстояниям 300 - 2000 м.

Несколько лет спустя, потребности локальных сетей возросли, и стали нужны более высокие скорости передачи данных, включая 10 Мбит/с. Они и протолкнули введение многомодового оптоволокна с сердцевиной 62.5 мкм, те могли передавать поток в 10 Мбит/с на расстояние более чем 2000 м, из-за его возможности более легкого введения света от светодиодов (LED) . В то же самое время более высокая числовая апертура сильнее ослабляет сигнал на стыках в муфтах и на изгибах кабеля. Многомодовое волокно с сердечником 62.5 мкм стало основным выбором для коротких соединений, информационных центров, и университетских городков, работающих на 10 Мбит/с.

Сегодня, Гигабитный Ethernet (1 Гбит/с) является стандартом, и 10 Гбит/с больше распространен в локальных сетях. Многомод 62.5 мкм достиг своих пределов производительности, поддерживая 10 Гбит/с максимум на 26 м. Эти ограничения ускорили развертывание новых экономичных лазеров под названием VCSEL и оптоволокна с сердечником 50 мкм, оптимизированных под длину волны 850 нм.

Спрос на увеличенные скорости передачи данных и пропускную способность предполагает более широкое использование волокна 50 мкм, оптимизированного под лазер и способными на передачу более 2000 МГц o км и междугороднюю передачу данных. В локальном проектировании следует проектировать сети с таким образом, что бы учитывать потребности завтрашнего дня.

1.4.1.6 Пропускная способность и длина передачи

Проектируя оптические кабели, важно понимать их возможности с точки зрения пропускной способности и расстояния. Чтобы гарантировать нормальную работу системы должны быть определены объёмы передачи данных с учётом будущих потребностей

Первый шаг это оценка длины передачи согласно таблице стандарта ISO/IEC 11801 рекомендуемых расстояний для сетевого Ethernet. Это таблица предполагает непрерывные кабельные длины без любых устройств, стыков, соединителей, или других потерь в передаче сигналов.

Второй шаг, инфраструктура кабельных соединений должна учитывать максимальное затухание канала, чтобы гарантировать надежную передачу сигналов на расстояние. Это значение затухания должно рассмотреть весь канал потери включают

Затухание в оптоволокне, что соответствует 3.5 дБ/км для многомодовых волокон на длине волны в 850 нм и к 1.5 дБ/км для многомода в 1300 нм (согласно стандартов ANSI/TIA-568-B.3 и ISO/IEC 11801).

Сварные соединения волокон(обычно потеря 0.1 дБ), коннекторы (обычно до 0.5 дБ) и другие потери.

Максимальное затухание канала определяется в стандарте ANSI/TIA-568-B.1 следующим образом.

Существует два вида кабелей в волоконно-оптических линиях связи. А именно: кабель волоконно-оптический многомодовый и, соответственно, одномодовый.

Как следует из названия, по архитектуре одномодовый кабель не позволяет пропустить через себя более одного луча - моды. Таким образом, разница между одномодовым и многомодовым оптическим кабелем заключается в способе распространения по ним оптического излучения. Размер сердечника световода самый значительный признак, который может повлиять на то, одномодовый оптический кабель купить или какой-либо другой.

Меньший диаметр сердечника обеспечивает и меньшую модовую дисперсию, и как результат - возможность передачи информации на большие расстояния без использования роутеров, повторителей и ретрансляторов. Негативным фактором является то, что одномодовое волокно и электронные компоненты, которые обеспечивают передачу, прием и трансформацию данных, а также поддерживающие на должном уровнетехнические характеристики оптических кабелей, весьма дорогостоящи.

Что касается конкретных размеров, то волокно одномодового волокна имеет очень тонкий сердечник, диметр которого составляет 10 мкм и меньше. Пропускная способность кабеля варьируется в пределах от 10 Гбитс и выше.

Многомодовый оптический кабель

В отличие от одномодового многомодовый кабель позволяет пропустить через себя n-ное количество модов. Такой проводник и может содержать независимые световые пути в количестве больше одного. Однако величина диаметра сердечника способствует тому, что свет с большей вероятностью будет отражаться от поверхности внешней оболочки сердечника, а это в свою очередь увеличивает модовую дисперсию. Рассеивание луча в кабеле приводит к сокращению расстояния передачи сигнала и необходимости увеличения количества ретрансляторов.

Любой инженер, закончивший проектирование волс, как конечный результат в сети получит скорость передачи данных на уровне 2.5 гбитс. Снова возникает вопрос: «Если я куплю кабель волоконно-оптический, то какой именно стоит выбрать?» Все зависит от технических показателей и необходимого качества связи. Например, можно приобрести кабель оптический 8 волокон. В таком проводнике, как и указано, 8 волокон, которые размещены в центральном модуле.

Это одна из разновидностей оптоволокна, который имеет большой диаметр сердцевины и проводит лучи света при помощи эффекта внутреннего отражения.

Особенности применения многомодовых оптических кабелей.

Все оборудование, которое используется для сетей, функционирующих на базе многомодового оптического волокна, является более дешевым, чем такое оборудование для одномодового оптоволокна. Как правило, скорость передачи данных по многомодовым кабелям составляет 100 м/бит для расстояния в два километра. В свою очередь расстояние от 220 до 500 метров, может быть пройдено со скоростью в 1 гигабит. Если же говорить про расстояние до 300 метров, то скорость его преодоления составляет порядка 10 гигабит.

Многомодовый волоконно-оптический кабель отличается высоким уровнем производительности, а также надежности. Как правило, кабеля данного типа используются при построении сетевых магистралей. Они имеют удобную стандартную архитектуру, которая позволяет в полной мере увеличить длину сети передачи данных.

Типы многомодовых волоконно-оптических кабелей.

Первым представителем семейства является кабель MOB-G (Рис.1). Кабель данного типа состоит из сердцевины и оболочки. Наружная часть волокна имеет защиту, в виде специальных оболочек. Кабеля имеют определенные особенности конструкции волокна. Так, на сегодняшний день, волокна производятся в соответствии со стандартом EN 188200 и VDE 0888. В соответствии с данными стандартами к кабелям данного типа относят определенные требования.

Требования к волокну многомодового волоконно-оптического кабеля:

• Диаметр сердцевины должен составлять 50 мкм. Допускается погрешность в 3 мкм.
• Внешняя толщина волокна должна составлять 125 мкм. Допускается погрешность в 2 мкм.
• Диаметр внешней первичной оболочки должен составлять 250 мкм. Допускается погрешность в 10 мкм.
• Диаметр внешней вторичной оболочки должен составлять 900 мкм. Допускается погрешность в 10 мкм.

Волокна данного типа, описываются с использованием системы классификации, которая была определена Международной Организацией Стандартизации. Так, в соответствии с документами, определено четыре стандарта многомодовых волоконно-оптических кабелей - OM1-OM4. Стоит отметить, что данные стандарты базируются на ширине полосы пропускания. При этом, стандарт ОМ4 предназначен для проведения работ на скорости до 100 гигабит в секунду. Он является последним представленным стандартом и успешно функционирует с августа 2009 года.

Отличительные характеристики кабелей.

Для того чтобы многомодовые волокна отличались от одномодовых, при производстве кабелей данного типа производители используют определенные отличительные характеристики. Так, на сегодняшний день принято применять различные цвета окраски оболочки кабеля. Однако стоит отметить, что данное условие не является обязательным для компаний-производителей кабелей. Именно поэтому, полагаться исключительно на цвет оболочки кабеля не рекомендуется.

В заключении следует сказать, что на сегодняшний день, одними из самых распространенных цветов многомодовых волоконно-оптических кабелей, является оранжевый (Рис.2) и серый цвета. Так, кабеля оранжевого цвета предназначены для 50/125 мкм. В свою очередь кабеля серого цвета, используются для 62,5/125 мкм. Также, на рынке можно встретить многомодовые кабеля бирюзового цвета, которые имеют многомодовые волокна стандартов ОМ3 и ОМ4. Кабеля данного типа подходят для 50/125 мкм. Стоит сказать, что на рынке также можно встретить многомодовые кабеля желтого цвета, однако, как правило, желтые кабеля соответствуют одномодовым волокнам.

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.

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).

________________________________________________________________