Ведут свою историю с 1960 года, когда был изобретен первый лазер. При этом само оптическое волокно появилось только 10 лет спустя, и сегодня именно оно является физической основой современного интернета.
Оптические волокна, применяемые для передачи данных, имеют принципиально схожее строение. Светопередающая часть волокна (ядро, сердечник или сердцевина) находится в центре, вокруг него располагается демпфер (который иногда называют оболочкой). Задача демпфера - создать границу раздела сред и не дать излучению покинуть пределы ядра.
И ядро, и демпфер изготавливаются из кварцевого стекла, при этом показатель преломления ядра несколько выше, чем показатель преломления демпфера, чтобы реализовать явление полного внутреннего отражения. Для этого достаточно разницы в сотые доли - например, ядро может иметь показатель преломления n 1 =1.468, а демпфер - значение n 2 =1.453.
Диаметр ядра одномодовых волокон составляет 9 мкм, многомодовых - 50 или 62.5 мкм, при этом диаметр демпфера у всех волокон одинаков и составляет 125 мкм. Строение световодов в масштабе показано на иллюстрации:
Ступенчатый профиль показателя преломления (step - index fiber ) - самый простой для изготовления световодов. Он приемлем для одномодовых волокон, где условно считается, что «мода» (маршрут распространения света в ядре) одна. Однако для многомодовых волокон со ступенчатым показателем преломления характерна высокая дисперсия, вызванная наличием большого количества мод, что приводит к рассеиванию, «расползанию» сигнала, и в итоге ограничивает расстояние, на котором возможна работа приложений. Минимизировать дисперсию мод позволяет градиентный показатель преломления. Для многомодовых систем настоятельно рекомендуется использовать именно волокна с градиентным показателем преломления (graded - index fiber ) , в которых переход от ядра к демпферу не имеет «ступеньки», а происходит постепенно.
Основной параметр, характеризующий дисперсию и, соответственно, способность волокна поддерживать работу приложений на определенные расстояния - коэффициент широкополосности. В настоящее время многомодовые волокна делятся по этому показателю на четыре класса, от OM1 (которые не рекомендуется применять в новых системах) до наиболее производительного класса OM4.
|
Класс волокна |
Размер ядра/демпфера, мкм |
Коэффициент широкополосности, |
Примечание |
|
|
850 нм |
1300 нм |
|||
|
Применяется для расширения ранее установленных систем. Использовать в новых системах не рекомендуется. |
||||
|
Применяется для поддержки приложений с производительностью до 1 Гбит/с на расстоянии до 550 м. |
||||
|
Волокно оптимизировано для применения лазерных источников. В режиме RML коэффициент широкополосности на длине волны 850 нм составляет 2000 МГц·км. Волокно применяется для поддержки приложений с производительностью до 10 Гбит/с на расстоянии до 300 м. |
||||
|
Волокно оптимизировано для применения лазерных источников. В режиме RML коэффициент широкополосности на длине волны 850 нм составляет 4700 МГц·км. Волокно применяется для поддержки приложений с производительностью до 10 Гбит/с на расстоянии до 550 м. |
||||
Одномодовые волокна делятся на классы OS1 (обычные световоды, используемые для передачи на длинах волн либо 1310 нм, либо 1550 нм) и OS2, которые можно применять для широкополосной передачи во всем диапазоне от 1310 нм до 1550 нм, поделенном на каналы передачи, или в даже более широком спектре, например, от 1280 до 1625 нм. На начальном этапе выпуска волокна OS2 маркировались обозначением LWP (Low
Water
Peak
)
, чтобы подчеркнуть, что в них минимизированы пики поглощения между окнами прозрачности. Широкополосная передача в наиболее производительных одномодовых волокнах обеспечивает скорости передачи свыше 10 Гбит/с.
Одномодовый и многомодовый волоконно-оптический кабель: правила выбора
Учитывая описанные характеристики многомодовых и одномодовых волокон, можно привести рекомендации по выбору типа волокна в зависимости от производительности приложения и расстояния, на котором оно должно работать:
для скоростей свыше 10 Гбит/с выбор в пользу одномодового волокна независимо от расстояния
для 10-гигабитных приложений и расстояний свыше 550 м выбор также в пользу одномодового волокна
для 10-гигабитных приложений и расстояний до 550 м также возможно применение многомодового волокна OM4
для 10-гигабитных приложений и расстояний до 300 м также возможно применение многомодового волокна OM3
для 1-гигабитных приложений и расстояний до 600-1100 м возможно применение многомодового волокна OM4
для 1-гигабитных приложений и расстояний до 600-900 м возможно применение многомодового волокна OM3
для 1-гигабитных приложений и расстояний до 550 м возможно применение многомодового волокна OM2
Стоимость оптического световода во многом определяется диаметром ядра, поэтому многомодовый кабель при прочих равных обходится дороже одномодового. При этом активное оборудование для одномодовых систем из-за использования в них мощных лазерных источников (например, лазер Фабри-Перо) стоит существенно дороже активки для многомода, где используются либо относительно недорогие лазеры поверхностного излучения VCSEL либо еще более дешевые светодиодные источники. При оценке стоимости системы необходимо учитывать затраты как на кабельную инфраструктуру, так и на активное оборудование, причем последние могут оказаться существенно больше.
На сегодняшний день сложилась практика выбора оптического кабеля в зависимости от сферы использования. Одномодовое волокно используется:
в морских и трансокеанских кабельных линиях связи;
в наземных магистральных линиях дальней связи;
в провайдерских линиях, линиях связи между городскими узлами, в выделенных оптических каналах большой протяженности, в магистралях к оборудованию операторов мобильной связи;
в системах кабельного телевидения (в первую очередь OS2, широкополосная передача);
в системах GPON с доведением волокна до оптического модема, размещаемого у конечного пользователя;
в СКС в магистралях длиной более 550 м (как правило, между зданиями);
в СКС, обслуживающих центры обработки данных, независимо от расстояния.
Многомодовое волокно в основном используется:
в СКС в магистралях внутри здания (где, как правило, расстояния укладываются в 300 м) и в магистралях между зданиями, если расстояние не превышает 300-550 м;
в горизонтальных сегментах СКС и в системах FTTD (fiber - to - the - desk ), где пользователям устанавливаются рабочие станции с многомодовыми оптическими сетевыми картами;
в центрах обработки данных в дополнение к одномодовому волокну;
во всех случаях, где расстояние позволяет применять многомодовые кабели. Хотя сами кабели обходятся дороже, экономия на активном оборудовании покрывает эти затраты.
Можно ожидать, что в ближайшие годы волокно OS2 постепенно вытеснит OS1 (его снимают с производства), а в многомодовых системах исчезнут волокна 62.5/125 мкм, поскольку их полностью вытеснят световоды 50 мкм, вероятно, классов OM3-OM4.
Тестирование одномодовых и многомодовых оптических кабелей
После монтажа все установленные оптические сегменты подлежат тестированию. Только измерения, проведенные специальным оборудованием, позволяют гарантировать характеристики установленных линий и каналов. Для сертификации СКС применяются приборы с квалифицированными источниками излучения на одном конце линии и измерителями на другом. Такое оборудование производят компании Fluke Networks, JDSU, Psiber; все подобные устройства имеют предустановленные базы допустимых оптических потерь в соответствии с телекоммуникационными стандартами TIA/EIA, ISO/IEC и другими. Более протяженные оптические линии проверяют с помощью оптических рефлектометров , имеющих соответствующий динамический диапазон и разрешающую способность.
На этапе эксплуатации все установленные оптические сегменты требуют бережного обращения и регулярного использования специальных чистящих салфеток, палочек и других средств очистки .
Нередки случаи, когда проложенные кабели повреждают, например, при копке траншей или при выполнении ремонтных работ внутри зданий. В этом случае для поиска места сбоя необходим рефлектометр или другой диагностический прибор, основанный на принципах рефлектометрии и показывающий расстояние до точки сбоя (подобные модели есть у производителей Fluke Networks, EXFO, JDSU, NOYES (FOD), Greenlee Communication и других).
Встречающиеся на рынке бюджетные модели предназначены в основном для локализации повреждений (плохих сварок, обрывов, макроизгибов и т д). Зачастую они не в состоянии провести детальную диагностику оптической линии, выявить все её неоднородности и профессионально создать отчет. Кроме этого, они менее надежны и долговечны.
Качественное оборудование - напротив надежно, способно диагностировать ВОЛС в мельчайших деталях, составить корректную таблицу событий, сгенерировать редактируемый отчет. Последнее крайне важно для паспортизации оптических линий, потому как иногда встречаются сварные соединения с настолько низкими потерями, что рефлектометр не в состоянии определить такое соединение. Но сварка ведь всё равно есть, и ее необходимо отобразить в отчёте. В этом случае программное обеспечение позволяет принудительно установить на рефлектограмме событие и в ручном режиме измерить потери на нем.
Многие профессиональные приборы также имеют возможность расширения функциональных возможностей за счет добавления опций: видеомикроскопа для инспектирования торцов волокон, источника лазерного излучения и измерителя мощности, оптического телефона и др.
Оптоволоконные кабели имеют схожую структуру, но могут отличаться по различным характеристикам. По количеству модулей, волокон, толщине, материалу внешней оболочки и т.д. Оптические кабели бывают одномодовыми и многомодовыми. Кабель оптический одномодовый предназначен для передачи одного луча света, а многомодовый – нескольких лучей. Как правило, кабель оптический одномодовый предназначен для использования в телекоммуникационных сетях, для создания магистралей по передачи данных на большие расстояния.В тоже время, многомодовые используются в сетях средней и малой дальности. имеет отличающуюся от многомодового структуру. В последнее время говорится о том, что многомодовые оптоволоконные кабели имеют преимущество перед одномодовыми, это по сути дела так, потому что они более чем в стократ превосходят одномодовые по производительности. Но, не смотря на все это, на дальние расстояния все же предпочтительней использовать одномодовые оптические кабели, потому что они давно и хорошо зарекомендовали себя в этой области.
Назначение кабеля оптического одномодового
Современный кабель оптический одномодовый является разновидностью оптоволоконного кабеля и предназначается для передачи одного пучка света (посредством многомодового передаются несколько пучков одновременно) при использовании в составе телекоммуникационных сетей и при организации магистралей, передающих данные на значительные расстояния.Существующие ныне оптоволоконные кабели при схожести структуры различаются своими характеристиками, зависящими от количества модулей, толщины, числа волокон, материала внешней оболочки и проч. Кабель оптический одномодовый, в отличие от многомодового, при передаче сигнала по определению лишен межмодовой дисперсии, возникающей в результате разновременности достижения противоположного конца кабеля вводимыми в волокно одновременно разными модами. Одной из важных характеристик кабеля является также СКС-диаметр его сердцевины, для одномодового это, как правило, 8-10 мкм.
Путем практических исследований различных оптических кабелей специалисты определили, что при расстояниях, превышающих между объектами 500 метров, стоит отдать предпочтение одномодовым, обеспечивающим высокую и надежную скорость передачи на большой дальности при строительстве крупномасштабных сетей. Многомодовый кабель показывал результаты пониже.
Особенности кабеля оптического одномодового
Свое наименование кабель оптический одномодовый получил из-за того, что в процессе работы в оптоволокне образуется небольшое число мод, поэтому принято условно считать, что свет при этом распространяется по единственной траектории, следовательно, такое волокно и назвали одномодовым. А так, современное оптоволокно может нести в себе более двух сотен параллельных волокон, при этом, как правило, имеется возможность комбинировать сочетания в одном кабеле волокон, относящихся к разным типам.Конструктивно оптоволоконный кабель состоит из единственной или же нескольких оптических волокон, являющихся, по сути, стеклянными нитями. Соответственно, передача информации производится переносом света внутри оптоволокна. Используется при этом процесс, называемый полным внутренним отражением. Принцип работы базируется на том, что световые волны отражаются от границы, разделяющей две прозрачные среды с различными показателями преломления.
Чаще всего кабель оптический одномодовый применяется для организации волоконно-оптических систем связи, прокладываемым по тоннелям, коллекторам и внутри зданий и помещений. Наружная оболочка его выполняется, как правило, из материалов, не поддерживающих и не распространяющих горение.
Преимущества кабеля оптического одномодового
Современный кабель оптический одномодовый характеризуется существенными преимуществами перед используемыми ранее медными проводниками. К ним безусловно относятся:- значительно большая полоса пропускания,
- повышенная степень помехозащищенности (в частности, в области невосприимчивости к электромагнитным помехам и наводкам),
- относительно малые объем и вес,
- световой сигнал с малым затуханием,
- гальваническая развязка вновь подключаемого оборудования,
- надежная защита от несанкционированных подключений, что дополнительно защищает передаваемую информацию и проч.
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
Типы оптических волокон
Существует два типа оптических волокон: многомодовые (ММ ) и одномодовые (SM ), отличающиеся диаметрами световедущей сердцевины. Многомодовое волокно , в свою очередь, бывает двух типов: со ступенчатым и градиентным профилями показателя преломления по его сечению.
Многомодовое оптическое волокно со ступенчатым показателем преломления
В ступенчатом оптоволокне могут возбуждаться и распространяться до тысячи мод с различным распределением по сечению и длине оптоволокна. Моды имеют различные оптические пути и, следовательно, различные времена распространения по оптоволокну, что приводит к уширению импульса света по мере его прохождения по оптоволокну. Это явление называется межмодовой дисперсией и оно непосредственно влияет на скорость передачи информации по оптоволокну. Область применения ступенчатых оптоволокон короткие (до 1 км) линии связи со скоростями передачи информации до 100 Мбайт/с, рабочая длина волны излучения, как правило, 0,85 мкм.
Многомодовое оптическое волокно с градиентным показателем преломления
Отличается от ступенчатого тем, что показатель преломления изменяется в нём плавно от середины к краю. В результате моды идут плавно, межмодовая дисперсия меньше.
Градиентное оптоволокно в соответствии со стандартами имеет диаметр сердцевины 50 мкм и 62,5 мкм, диаметр оболочки 125 мкм. Оно применяется во внутриобъектовых линиях длиной до 5 км, со скоростями передачи до 100 Мбайт/c на длинах волн 0,85 мкм и 1,35 мкм.
Одномодовое оптическое волокно
Стандартное одномодовое оптическое волокно имеет диаметр сердцевины 9 мкм и диаметр оболочки 125 мкм
В этом оптоволокне существует и распространяется только одна мода (точнее две вырожденные моды с ортогональными поляризациями), поэтому в нем отсутствует межмодовая дисперсия, что позволяет передавать сигналы на расстояние до 50 км со скоростью до 2,5 Гбит/с и выше без регенерации. Рабочие длины волн λ1 = 1,31 мкм и λ2 = 1,55 мкм.
Окна прозрачности оптоволокна.
Говоря об окнах прозрачности оптического волокна, обычно рисуют такую картинку.
Окна прозрачности оптоволокна
В настоящее время оптоволокно с такой характеристикой уже считается устаревшим. Достаточно давно освоен выпуск оптоволокна типа AllWave ZWP (zero water peak, с нулевым пиком воды), в котором устранены гидроксильные ионы в составе кварцевого стекла. Такое стекло имеет уже не окно, а прямо таки проём в диапазоне от 1300 до 1600 нм.
Все окна прозрачности лежат в инфракрасном диапазоне, то есть свет, передающийся по ВОЛС, не виден глазу. Стоит заметить, что в стандартное оптоволокно можно ввести и видимое глазом излучение. Для этого применяют либо небольшие блоки, присутствующие в некоторых рефлектометрах, либо даже слегка переделанную китайскую лазерную указку. С помощью таких приспособлений можно находить переломы в шнурах. Там, где оптоволокно сломано, будет видно яркое свечение. Такой свет быстро затухает в волокне, так что использовать его можно только на коротких расстояниях (не более 1 км).
Гибкость оптического волокна
Фотография, надеюсь, успокоит тех, кто привык видеть стекло бьющимся и хрупким.
Оптоволокно. Гибкость оптоволокна
Здесь изображено стандартное одномодовое волокно. То самое, 125 мкм кварцевого стекла, использующееся повсеместно. Из-за лакового покрытия оптоволокно способно выдерживать изгибы радиусом в 5 мм (хорошо видно на рисунке). Свет, а значит и сигнал через такой изгиб, увы, уже не проходит.
Информация о расшифровке маркировки оптоволоконных кабелей размещавшееся в этом месте размещена на страницах:
| Оптоволокно |
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 волокон1. 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 (
