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 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 (
Несмотря на огромное разнообразие оптоволоконных кабелей, волокна в них практически одинаковые. Более того, производителей самих волокон намного меньше (наиболее известны Corning, Lucent и Fujikura), чем производителей кабелей.
По типу конструкции, вернее по размеру серцевины, оптические волокна делятся на одномодовые (ОМ) и многомодовые (ММ). Строго говоря, употреблять эти понятия следует относительно конкретной используемой длины волны, но после рассмотрения Рисунка 8.2, становится понятно, что на сегодняшнем этапе развития технологий можно это не учитывать.
Рис. 8.3. Одномодовые и многомодовые оптические волокна
В случае многомодового волокна диаметр сердечника (обычно 50 или 62,5 мкм) почти на два порядка больше, чем длина световой волны. Это означает, что свет может распространяться в волокне по нескольким независимым путям (модам). При этом очевидно, что разные моды имеют разную длину, и сигнал на приемнике будет заметно "размазан" по времени.
Из-за этого хрестоматийный тип ступенчатых волокон (вариант 1), с постоянным коэффициентом преломления (постоянной плотностью) по всему сечению сердечника, уже давно не используется из-за большой модовой дисперсии.
На смену ему пришло градиентное волокно (вариант 2), которое имеет неравномерную плотность материала сердечника. На рисунке хорошо видно, что длины пути лучей сильно сокращены за счет сглаживания. Хотя лучи, проходящие дальше от оси световода, преодолевают большие расстояния, они при этом имеют большую скорость распространения. Происходит это из-за того, что плотность материала от центра к внешнему радиусу уменьшается по параболическому закону. А световая волна распространяется тем быстрее, чем меньше плотность среды.
В результате более длинные траектории компенсируются большей скоростью. При удачном подборе параметров, можно свести к минимуму разницу во времени распространения. Соответственно, межмодовая дисперсия градиентного волокна будет намного меньше, чем у волокна с постоянной плотностью сердечника.
Однако, как бы не были сбалансированы градиентные многомодовые волокна, полностью устранить эту проблему можно только при использовании волокон, имеющих достаточно малый диаметр сердечника. В которых, при соответствующей длине волны, будет распространяться один единственный луч.
Реально распространено волокно с диаметром сердечника 8 микрон, что достаточно близко к обычно используемой длине волны 1,3 мкм. Межчастотная дисперсия при неидеальном источнике излучения остается, но ее влияние на передачу сигнала в сотни раз меньше, чем межмодовой или материальной. Соответственно, и пропускная способность одномодового кабеля намного больше, чем многомодового.
Как это часто бывает, у более производительного типа волокна есть свои недостатки. В первую очередь, конечно, это более высокая стоимость, обусловленная стоимостью комплектующих, и требованиями к качеству монтажа.
Таб. 8.1. Сравнение одномодовых и многомодовых технологий.
| Параметры | Одномодовые | Многомодовые |
| Используемые длины волн | 1,3 и 1,5 мкм | 0,85 мкм, реже 1,3 мкм |
| Затухание, дБ/км. | 0,4 - 0,5 | 1,0 - 3,0 |
| Тип передатчика | лазер, реже светодиод | светодиод |
| Толщина сердечника. | 8 мкм | 50 или 62,5 мкм |
| Стоимость волокон и кабелей. | Около 70% от многомодового | - |
| Средняя стоимость конвертера в витую пару Fast Ethernet. | $300 | $100 |
| Дальность передачи Fast Ethernet. | около 20 км | до 2 км |
| Дальность передачи специально разработанных устройств Fast Ethernet. | более 100 км. | до 5 км |
| Возможная скорость передачи. | 10 Гб, и более. | до 1 Гб. на ограниченной длине |
| Область применения. | телекоммуникации | локальные сети |
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.
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 |
Перевод Анны Мотуш
Определение: волокна, поддерживающие более чем одну моду для определенного направления поляризации
Многомодовые волокна - это оптические волокна, поддерживающие несколько поперечных мод для данной оптической частоты и поляризации. Число мод определяется длиной волны и показателем преломления материала. Многомодовые волокна подразделяются на волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и градиентные.
Для волокон определены значения радиуса сердцевины и числовой апертуры, позволяющие определить V-параметр. Для больших значений V-параметра количество мод пропорционально V 2 . В частности, для волокон с большим диаметром сердцевины (правая часть рис 1), количество мод может быть очень большим. Такие волокна могут доставлять свет с плохим качеством пучка (например, генерируемый мощными диодами), но для сохранения качественного луча от источника света с высокой яркостью будет лучше использовать волокно с меньшей сердцевиной и с умеренной числовой апертурой, хотя эффективное введение излучения в волокно может быть более сложным.
По сравнению со стандартным одномодовым волокном, многомодовое волокно обычно имеет большую сердцевину, а также высокую числовую апертуру, например, 0.2-0.3. Последнее позволяет работать при изгибании волокна, но также приводит к более интенсивному рассеиванию, которое определяется нарушением геометрической формы оптического волокна. Следствием этих нарушений является то, что часть лучей покидает оптоволокно. Интенсивность рассеивания зависит не только от качества материала, из которого изготавливается сердцевина, но и от качества оболочки, так как часть оптического сигнала распространяется и в ней. Профиль показателя преломления в основном прямоугольный, но иногда встречается и параболический. (См. ниже).
Многомодовое волокно состоит из сердцевины и оболочки. В распространенных типах волоконно-оптических линий связи (см. ниже) на основе многомодовых волокон 50/125 и 62,5/125, диаметр сердцевины равен 50 и 62.5 микрон соответственно и диаметр оболочки 125 микрон. Такие волокна поддерживают сотни мод.
Ввести свет в многомодовое волокно достаточно просто, т.к. требования к соблюдению точности настройки угла и положения луча не очень строгие. С другой стороны, пространственная когерентность на выходе многомодовых волокон невелика, и распределение интенсивности излучения на выходе сложно контролировать по причинам, изложенным ниже.
На рисунке 2 приведены профили электрического поля в модах с шагом преломления волокна, рассчитанные для конкретной длины волны. Это основная мода (LP 01) с распределением интенсивности, близким к гауссовскому, и несколько мод более высокого порядка с более сложными пространственными профилями. Каждая мода имеет различную постоянную распространения. Любое распределение поля можно рассматривать как суперпозицию мод.
Суммарное электрическое поле, распространенное в многомодовом волокне - суперпозиция нескольких мод. Интенсивность зависит не только от оптической мощности во всех модах, но также и от относительной фазы, тут может возникать максимум или минимум за счет интерференции различных мод.
Оба параметра - мощность и фаза, определяются начальными условиями, а относительные фазы изменяются непрерывно вдоль волокна из-за зависимости от констант распространения. Таким образом, сложная картина интенсивности во времени постоянно меняется в пределах длины распространения значительно меньше 1 мм.
Рисунок 3 демонстрирует анимированный пример, где представлены распределения интенсивности, происходящие с интервалом в 2 мкм. Эта интерференционная картина сильно зависит от каких-либо изменений при изгибе или растяжении волокон, а также от температуры.
Обратите внимание, что для света с широкой оптической пропускной способностью (например, для белого света) таких сложных распределений интенсивности не наблюдается потому, что график интенсивности различен для каждой длины волны, так что вклады от различных длин волн усредняются. Чем длиннее волокно, тем ниже оптический диапазон частот, необходимый для этого усреднения.