Типы оптических волокон. Многомодовое и одномодовое волокно

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.

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
Класс волокна	Размер ядра/демпфера, мкм	850 нм	1300 нм	Примечание
				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.

Класс волокна	Размер ядра/демпфера, мкм	Коэффициент широкополосности, режим OFL, МГц·км		Примечание
Класс волокна	Размер ядра/демпфера, мкм	850 нм	1300 нм	Примечание
				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.

Одномодовый и многомодовый волоконно-оптический кабель: правила выбора

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

в морских и трансокеанских кабельных линиях связи;

в наземных магистральных линиях дальней 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 центрах обработки данных в дополнение к одномодовому волокну;

Тестирование одномодовых и многомодовых оптических кабелей

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.

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 (