12 декабря 2008 в 13:40

Оптические волокна. Классификация.

• IT-инфраструктура

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

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

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

Классификация

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

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

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

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

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

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

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

Конструкция оптического волокна

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

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

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

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

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

Профиль показателя преломления

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

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

Области применения оптических волокон

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

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).

Сеть	Скорость передачи	Стандарт	OM1		OM2		OM3		OM4
			850 нм	1300 нм	850 нм	1300 нм	850 нм	1300 нм	850 нм	1300 нм
Fast Ethernet	100 Мбит/с	100BASE-SX	300	-	300	-	300	-	300	-
		100BASE-FX	2000	-	2000	-	2000	-	2000	-
Gigabit Ethernet	1 Гбит/с	1000BASE-SX	275	-	550	-	800	-	880	-
		1000BASE-LX	-	550	-	550	-	550	-	550
10 Gigabit Ethernet	10 Гбит/с	10GBASE-S	33	-	82	-	300	-	450	-
		10GBASE-LX4	-	300	-	300	-	300	-	300
		10GBASE-LRM	-	220	-	220	-	220	-	220
40 Gigabit Ethernet	40 Гбит/с	40GBASE-SR4	-	-	-	-	100	-	125	-
100 Gigabit Ethernet	100 Гбит/с	100GBASE-SR10	-	-	-	-	100	-	125	-
1G Fibre Channel	1,0625 Гбит/с	100-MX-SN-I	300	-	500	-	860	-	860	-
2G Fibre Channel	2,125 Гбит/с	200-MX-SN-I	150	-	300	-	500	-	500	-
4G Fibre Channel	4,25 Гбит/с	400-MX-SN-I	70	-	150	-	380	-	400	-
10G Fibre Channel	10,512 Гбит/с	1200-MX-SN-I	33	-	82	-	300	-	300	-
16G Fibre Channel	14,025 Гбит/с	1600-MX-SN	-	-	35	-	100	-	125	-
FDDI	100 Мбит/с	ANSI X3.166	-	2000	-	2000	-	2000	-	2000

________________________________________________________________

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

многомодовое (MMF ) и одномодовое (SMF ) .

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные.

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

Многомодовое оптоволокно .

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

Рисунок 2.3 – Ход лучей света в волокне

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

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

Рисунок 2.4 – Конструкции различных волокон

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

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

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

Достоинства многомодовых ОВ по сравнению с одномодовыми:

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

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

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

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

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)

________________________________________________________________

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, режим OFL, МГц·км		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.