3.1. Многомодовые и одномодовые оптические волокна из кварцевого стекла. 3. Оптические волокна и кабели. Классификация, характеристики и материалы. Волоконно-оптические кабели и линии связи

В середине 70-х годов двадцатого века после серии успешных экспериментов фирмой Corning (США) была разработана технология получения оптического волокна с потерями 4 дБ/км. Это было многомодовое оптическое волокно с диаметром сердцевины 50 мкм, рассчитанное на работу в диапазоне длин волн 0,82 … 0,87 мкм. На его основе были созданы первые промышленные волоконно-оптические кабели, которые в ограниченном объеме начали применяться для решения специализированных связистских задач.

Какое-то время казалось, что эта ситуация продлится достаточно долго и, что до широкого применения волоконной оптики в связи пройдет не один десяток лет. Однако уже в начале 80-х годов большая потребность в каналах связи заставила связистов обратить внимание на уникальные возможности волоконной оптики. Целый ряд компаний США, Японии, Германии и других стран выделили значительные средства на развитие волоконной оптики. В результате этого были разработаны и созданы новые технологии и типы оптических волокон и кабелей различного назначения.

Согласно ГОСТ 26793-85 «Компоненты ВОСПИ. Система условных обозначений» все ОВ подразделяются на группы — по типу распространяющегося излучения, на подгруппы-по типу профиля показателя преломления и на виды — по материалу сердечника и оболочки.

Различают следующие группы ОВ: многомодовое (М), одномодовое без сохранения, поляризации излучения (Е) и одномодовое с сохранением поляризации излучения (П). Группа многомодовых ОВ делится на две подгруппы: со ступенчатым (С) и градиентным (Г) профилями показателя преломления. В зависимости от материалов сердцевины и оболочки ОВ подразделяются на следующие виды: 1 — сердцевина и оболочка кварцевые; 2 — сердцевина кварцевая, оболочка полимерная; 3 — сердцевина и оболочка из многокомпонентного стекла; 4 — сердцевина и оболочка из полимерного материала;5-прочие.

Международная система классификации оптических волокон основана на Рекомендациях ITU-Т G.650 и публикации IEC №793 [1,2]. Так, согласно рекомендациям IEC предусмотрены два класса ОВ: А и В, к которым соответственно относятся многомодовые и одномодовые волокна. При этом категория многомодовых ОВ определяется материалом сердцевины и оболочки, а также профилем показателя преломления, а категория одномодовых волокон определяется центральной длиной волны и длиной волны нулевой дисперсии (табл. 3.1).

Таблица 3.1. Категории оптического волокна

Класс ОВ	Категория ОВ	Материал	Тип волокна	Диапазон	Номинальная длина волны нулевой дисперсии, нм	Номинальная длина волны, нм
Многомодовые	А1	Стеклянная сердцевина, стеклянная оболочка	С градиентным ППП	1≤u<3	—	—
	А2.1		С квазиступен-чатым ППП	3≤u<10	—	—
	А2.2		Со ступенчатым ППП	10≤u<∞	—	—
	А3		Со ступенчатым ППП	1≤u<∞	—	—
	А4	Полимерное волокно	С	—	—	—
Одномодовые	В1.1	Стеклянная сердцевина, стеклянная оболочка	—	—	1300	1310
	В1.2		—	—	1300	1550
	В2		—	—	1550	1550
	В3		—	—	1300 и 1550	131 и 1550

Первое использованное в системах связи оптическое волокно было многомодовым, в котором может распространяться одновременно большое число мод — лучей, введенных в световод под разными углами. Многомодовое ОВ обладает относительно большим диаметром сердцевины (стандартные значения 50 и 62,5 мкм) и, соответственно, большой числовой апертурой, что облегчает его монтаж и эксплуатацию. Основным недостатком такого волокна является межмодовая дисперсия для уменьшения влияния которой было разработано многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломления. Однако полностью устранить межмодовую дисперсию все же не удается, что объясняется как несовершенством профиля показателя преломления, так и наличием так называемых спиральных мод, возникающих вследствие осевой симметрии ОВ, избавиться от которых в принципе невозможно.

Рис. 3.1. Квазипараболический ППП многомодовых ОВ

Градиентное ОВ харакля преломления, являющимся монотонной убывающей функцией радиуса в пределах его сердцевины. Оптимальным профилем показателя преломления в ОВ является параболический. Однако в реальных условиях получить параболический профиль показателя преломления практически не удается вследствие несовершенства технологии изготовления заготовок, поэтому обычно вводят термин квазипараболический профиль показателя преломления, характеризующийся многоступенчатостью и наличием центрального провала, ухудшающего дисперсионные свойства ОВ (рис. 3.1).

Основные характеристики многомодовых ОВ, выпускаемых некоторыми ведущими фирмами [4, 5, 6, 7] в соответствии с требованиями международного стандарта и Рекомендации ITU-Т G-651 [2, 3], приведены в табл. 3.2. Сегодня применение МОВ, работающих в первом и втором окнах прозрачности с номинальными длинами волн 850 нм и 1300 нм, ограничено, как правило, локальными сетями и сетями связи с технологией PDH.

Например, фирма Corning в последние годы для высокоскоростных, базирующихся на лазерной технологии локальных сетей (LAN), таких как Gigabit Ethernet выпустила волокна InfiniCor™ 300, InfiniCor™ 600 и InfiniCor 1000. Эти волокна способны передавать информацию до 300, 600 и 1000 м, соответственно. При использовании более медленных протоколов, таких как Fast Ethernet, FDDI и 155 МБит/с АТМ, эти волокна могут эффективно работать и на расстояниях больших, чем 2000 м.

Таблица 3.2. Характеристики многомодовых ОВ, выпускаемых некоторыми фирмами

Фирма		Lucent Technologies	Corning			Fujikura	Sumitomo Electric
Диаметр сердевины, мкм		62,5 ± 3,0	62,5 ± 3,0	50 ± 3,0		50 ± 3,0	50 ± 3,0			62,5 ± 3,0		100 ± 5
Неконцентричность сердцевины, %		≤6,0	≤5,0	≤5,0		–	–			–		–
Диаметр оболочки, мкм		125,0 ± 1,0	125,0 ± 0,2	125,0 ± 0,2		125,0	125,0 ± 0,2			125,0 ± 0,2		140,0 ± 3,0
Диаметр покрытия, мкм		245,0 ± 10	245,0 ± 10	245,0 ± 10		250,0	250,0 ± 10			250,0 ± 10		250,0 ± 10
Неконцентричность сердцевины и оболочки, мкм		≤ 3,0	≤ 3,0	≤ 3,0		—	—			—		—
Некруглость оболочки, %		≤ 2,0	≤ 2,0	≤ 2,0		—	—			—		—
Неконцентричность покрытия, мкм		≤ 12	≤ 12	≤ 12		—	—			—		—
Длина волны нулевой дисперсии, нм		1328 ÷ 1350	1332 ÷ 1354	1297 ÷ 1316		—	—			—		—
Наклон кривой дисперсии пс/(нм2 км)		0,11	0,097	≤ 0,101		—	—			—		—
Максимальное затухание (дБ/км) на , нм	850	2,8 ÷ 3,5	2,8 ÷ 3,0	≤ 2,5	2,4 ÷ 2,5	3,0	3,0	2,5		3,5	3,5	4,0	4,0
	1300	0,7 ÷ 1,0	0,6 ÷ 0,7	≤ 0,8	0,5 ÷ 0,8	1,0	1,0		0,7	1,5	1,5	2,0	2,0
Мах. превышение затухания на =1380 нм, относительно затухания на =1300 нм		Менее чем на 1,0	Менее чем на 1,0	Менее чем на 0,3		—	—			—		—
Затухание на изгибе (100 витков радиусом в 75 мм на , нм	850	—	≤ 0,5	≤ 0,5		—	—			—		—
	1300	—	≤ 0,5	≤ 0,5		—	—			—		—
Ширина полосы пропускания (МГц км) на , нм	850	160 ÷ 250	160 ÷ 200	400 ÷ 600			200	400		150	150	150	100
	1300	400 ÷ 1000	200 ÷ 600	400 ÷ 1000		200 ÷ 500	500		400	500	200	300	300
Прочность, ГПа		≥0,7 (1% удлинении)	≥ 0,7 (1% удлинении)	≥ 0,7 (1% удлинении)		—	—			—		—
Сила снятия покрытия, Н		1,3 …≤ 8,9	3,2	3,2		—	—			—		—
Вид покрытия		D-LUX двойной слой улучшенного УФ-акрилата	СРС6 улучшенное двойное покрытие из акрилата	СРС6 улучшенное двойное покрытие из акрилата		УФ-акрилат или силикон+нейлон	УФ-акрилат или силикон+нейлон			УФ-акрилат или силикон+нейлон		УФ-акрилат или силикон+нейлон
Собственный радиус изгиба, м		≥ 2	—	—		≥ 2	—			—		—
Диапазон рабочих температур, оС		-60 … +85	-60 … +85	-60 … +85		-60 … +85	—			—		—
Разность показателей преломления, %		2,0	2,0	1,0		—	—			—		—
Эффективный показатель преломления на , нм	850	1,496	1,496	1,490		—	—			—		—
	1300	1,491	1,487	1,486		—	—			—		—
Числовая апертура		0,275 ± 0.015	0,275 ± 0.015	0,200 ± 0.015		—	0,210 ± 0.02			0,275 ± 0.015		0,280 ± 0.02
ППП		градиентный	градиентный	градиентный		градиентный	градиентный			градиентный		градиентный

Потребность в увеличении полосы пропускания и дальности передачи сигнала привела к необходимости применения одномодового оптического волокна, т. е. волокна со ступенчатым профилем показателя преломления, диаметр сердцевины и соотношение показателей преломления сердцевины и оболочки которого выбраны таким образом, что в нем может распространяться только одна мода. Межмодовая дисперсия в таком волокне отсутствует, а ширина полосы пропускания ограничивается хроматической дисперсией. Стандартное одномодовое волокно (SSF) предназначено для работы в диапазоне длин волн 1285 — 1330 нм, в котором величина хроматической дисперсии достигает минимального, близкого к нулю, значения. Можно также использовать это ОВ в спектральном диапазоне 1525–1565 нм, затухание на этих длинах волн очень мало (-0,2дБ/км), а коэффициент хроматической дисперсии составляет 16 — 18 пс/нм км. Параметры стандартного одномодового ОВ регламентируются Рекомендацией ITU-Т G.652[4]. Это исторически первое и наиболее широко распространенное волокно, применяемое с 1983 г.

Растущая потребность в увеличении полосы пропускания и протяженности оптических линий привела к возникновению ряда модификаций стандартного одномодового волокна. Первой модификацией ООВ стало волокно со смещенной в область 1550 нм длиной волны нулевой дисперсии (DSF). В этом волокне область минимума оптических потерь совпадает с областью минимальной хроматической дисперсии. Параметры этого ОВ регламентируются Рекомендацией ITU-Т G.653 [5]. Волокно со смещенной дисперсией хорошо совместимо с оптическими усилителями, поскольку интервал длин волн, в котором ОВ имеет наилучшие параметры по затуханию и дисперсии, совпадает с полосой максимального усиления оптических усилителей на эрбиевом волокне. Такой тип волокна предпочтителен как для высокоскоростных линий связи с большой длиной регенерационного участка так и для технологий оптического уплотнения. Возможно также применение этого ОВ в системах со спектральным уплотнением (WDM) при ограниченной протяженности регенерационного участка, пониженной мощности передаваемого сигнала и ограниченной плотности спектральных компонент. Однако эти волокна имеют недостаток, связанный с возникновением нелинейных эффектов (так называемый эффект смешивания некоторых волн), возникающих при использовании оптического усилите ля на основе волокна, легированного эрбием EFDA, в середину рабочего диапазона которого попадает длина волны нулевой дисперсии этого волокна.

Второй модификацией ООВ стало волокно с затуханием, минимизированным на волне 1550 нм [6], соответствующее Рекомендации ITU-Т G.654. Волокна этой модификации на сетях электросвязи не нашли применения.

Следующей модификацией ООВ стало волокно со смещенной ненулевой дисперсией (NZDSF). Внедрение технологии «плотного» частотного уплотнения (DWDM) совместно с использованием эрбиевых оптических усилителей привело к разработке такого типа оптических волокон. При использовании технологии DWDM в ОВ одновременно вводится большое количество (до 100 и более) оптических сигналов на близких длинах волн, каждый из которых несет свой, независимый от других, информационный поток. Применение этой технологии позволяет радикально повысить пропускную способность оптических линий, но при этом накладывает определенные требования на само ОВ, как на среду передачи оптического излучения. Основным из них является отсутствие искажений сигнала передаваемого каждой спектральной компонентой по отдельности, что в данном случае эквивалентно отсутствию хроматической дисперсии, поскольку именно она приводит к искажению цифрового сигнала и соответственно возникновению битовых ошибок. Однако при отсутствии хроматической дисперсии возникает проблема нелинейных эффектов, обусловленная высокой мощностью оптических сигналов в волокне, что связано с необходимостью передачи на большие расстояния и применением оптических усилителей при высокой плотности спектральных компонент. Наиболее важным для систем, использующих DWDM-технологии, является эффект четырехволнового смешивания, приводящий через взаимодействие отдельных спектральных компонент со средой (сердцевиной ОВ) к взаимодействию спектральных компонент друг с другом. Из-за этого эффекта после прохождения DWDM сигналом определенной длины волокна возникают компоненты на кратных частотах, т. е. становится невозможным демультиплексирование сигнала. Как выяснилось, наличие в ОВ некоторого уровня хроматической дисперсии эффективно подавляет влияние нелинейных эффектов.

NZDSF-волокно, отвечающее вышеперечисленным требованиям, используется в линиях с большой протяженностью регенерационного участка с DWDM-уплотнением сигнала. Параметры этого волокна регламентируются Рекомендацией ITU-Т G.655 [7]. Рабочий диапазон для таких ОВ 1530 — 1565 нм, уровень коэффициента хроматической дисперсии в рабочем диапазоне 0,1 — 6 пс/(нм.км) обеспечивает достаточно низкое значение дисперсии оптического сигнала в волокне. В свою очередь, такой уровень дисперсии достаточно низок для обеспечения скорости передачи до 10 Гбит/с в каждом спектральном канале, и в то же время достаточно высок для эффективного подавления нелинейных эффектов при использовании DWDM-технологий. Даже без использования DWDM-технологии этот тип волокон обеспечивает большую пропускную способность и протяженность регенерационного участка, чем стандартное одномодовое волокно. Интересной особенностью является возможность получения волокон с одинаковой по величине, но разной по знаку дисперсией (NZDSF+ и NZDSF — волокна), что дает возможность построения линий с близкой к нулю дисперсией, без применения дополнительных устройств.

На сегодняшний день выпуск волокон со смещенной ненулевой дисперсией налажен фирмами Fujikura, Lucent Technology и Corning [8, 9, 10]. Волокно TrueWave фирмы Lucent Technologies и волокно SMF-LS фирмы Corning имеют ненулевую дисперсию во всем диапазоне полосы пропускания эрбиевого усилителя. Первое волокно обеспечивает положительную величину коэффициента хроматической дисперсии, имея точку нулевой дисперсии вблизи 1523 нм, а второе — отрицательную величину, имея точку нулевой дисперсии несколько выше 1560 нм (рис. 3.2).

При дальнейшем технологическом усовершенствовании фирмой Coming было выпущено волокно NZDSF марки LЕАF с большой эффективной площадью для светового поля, предназначенное для систем спектрального уплотнения с большим числом каналов в диапазоне 1550 нм и внутриканальной скоростью передачи 10 Гбит/с. За счет увеличения эффективной площади для светового потока волокно LEAF увеличивает уровень оптической мощности в системе на 2 дБ по сравнению с обычным и волокнами с ненулевой смещенной дисперсией. Это, в свою очередь, приводит к существенным системным преимуществам, улучшению отношения сигнал-шум, снижению уровня ошибок, более длинным усилительным участкам.

Рис. 3.2. Коэффициент хроматической дисперсии одномодовых ОВ в окне прозрачности 1550 нм

Для систем передачи DWDM, использующих не только третье окно прозрачности (от 1530 до 1565 нм), но и четвертое окно (от 1565 до 1620 нм), фирмой Lucent Technologies было предложено волокно TrueWave RS с уменьшенным наклоном дисперсионной кривой. Это волокно имеет ненулевую смещенную дисперсию NZDF, что позволило увеличить пропускную способность.

Дальнейшие разработки в области производства оптических волокон позволили открыть пятое окно прозрачности 1350 — 1450 нм, недоступное ранее из-за свойственного ему большого затухания, вносимого ионами ОН. Фирма Lucent Technologies представила волокно All-Wave, в котором практически исключается наличие ионов ОН, что позволяет использовать его во всем диапазоне длин волн от 1280 до 1625 нм. Спектральные зависимости затухания в волокнах TrueWave RS, A11Wave приведены на рис. 3.3 и 3.4 соответственно.

В волокне AllWave в отличие от стандартного одномодового волокна (рис. 3.4) нет так называемого «водяного пика», т.е. увеличения поглощения на длине волны 1,385 мкм, соответствующей спектру поглощения ионов ОН. На этой длине волны поглощение составляет 0,31 дБ/км.

Данный тип ОВ предлагается использовать в локальных и местных сетях связи с небольшой протяженностью регенерационных участков, при одновременном использовании всего спектрального диапазона от 1,3 до 1,6 мкм. Пока, правда, нет полной ясности в вопросе долговременной стабильности характеристик данного ОВ, т. е. не решен вопрос появления водяного пика в процессе эксплуатации.

Рис.3.3. Спектральная зависимость затухания в волокне TrueWaveRS

Рис.3.4. Спектральная зависимость затухания в волокне AllWave

Совсем недавно фирма Corning представила новый тип волокна MetroCor, у него также как и у AllWave отсутствует водяной пик, а смещенная ненулевая дисперсия и в третьем и четвертом окнах прозрачности имеет отрицательный знак. Это волокно предназначено, в основном, для местных и локальных сетей передачи с использованием второго — пятого окон прозрачности.

Основные характеристики одномодовых ОВ, выпускаемых различными фирмами, приведены в табл. 3.3.

Перечисленные выше виды волокон относятся к так называемой группе промышленно выпускаемых волокон. В последнее время с развитием оптических усилителей, систем с WDW появились такие специальные виды волокон, как:

• с компенсацией дисперсии DCF (Dispersion Compensating Fiber), используемое в специальных модулях для компенсации дисперсии;
• легированное эрбием EDF (Erbium Doped Fiber), используемое в оптических усилителях типа ЕВРА;
• легированное неодимом NDF (Neodim Doped Fiber), используемое в оптических усилителях типа NDFA;
• сохраняющее поляризацию на протяжении всего пути распространения излучения, известное как PMF (Polarization Maintaining Fiber) или hi-bi волокна;
• с большой площадью сечения сердечника — порядка 300 ÷ 800 мкм для создания световых потоков большой яркости и мощности, используемое для измерений и специальных приложений.

Таблица 3.3. Характеристики одномодовых ОВ, выпускаемых некоторыми фирмами

Фирма

Lucent Technologies

Corning

Fujikura

Фирменное обозначение

SM-9/125

AllWave

TrueWAVE

TrueWAVE RS

LEAF

SMF-LS

SMF-28

OB Titan

SM-10/125

DSM8/125

DSMNZ-9/125

Тип волокна

SSF

NZDSF

NZDSF

NZDSF

NZDSF

NZDSF

SSF

SSF

SSF

DSF

NZDSF

Соответствие ITU-T

G.652

G.655

G.655

G.655

G.655

G.655

G.652

G.652

G.652

G.653

G.665

Диаметр модового пятна, мкм, на , нм

1310

9,3 ÷ 0,5

9,3 ÷ 0,5

—

—

—

6,6

9,3 ÷ 0,5

9,3 ÷ 0,5

8,5–9,6

—

—

1550

10,5 ± 1,0

10,5 ± 1,0

8,4 ± 0,6

8,4 ± 0,6

9 ÷ 10

8,4 ± 0,5

10,5 ± 1,0

10,5 ± 1,0

—

8,1

9,5 ± 0,5

Длина волны отсечки, нм

волокна

1150 ÷ 1350

—

—

—

—

—

—

—

1180 ÷ 1320

—

1450

кабель

≤ 1260

≤ 1260

≤ 1260

≤ 1260

≤ 1260

≤ 1260

≤ 1260

≤ 1260

—

—

—

Диаметр оболочки, мкм

125,0 ± 1,0

125,0 ± 1,0

125,0 ± 1,0

125,0 ± 1,0

125,0 ± 1,0

125,0 ± 1,0

125,0 ± 1,0

125,0 ± 1,0

125,0 ± 1,5

125,0 ± 1,0

125,0 ± 1,0

Диаметр покрытия, мкм

245,0 ± 10

245,0 ± 10

245,0 ± 1,0

245,0 ± 1,0

245,0 ± 1,0

245,0 ± 1,0

245,0 ± 1,0

245,0 ± 1,0

245,0 ± 10

245,0 ± 10

245,0 ± 10

Неконцентричность сердцевины и оболочки, мкм

≤ 0,8

≤ 0,6

≤ 0,8

≤ 0,8

≤ 0,8

≤ 1,0

≤ 0,6

≤ 0,6

1

1

1

Некруглость оболочки, %

≤ 1,0

—

≤ 1,0

≤ 1,0

≤ 1,0

≤ 1,0

≤ 1,0

≤ 1,0

≤ 1,0

≤ 1,0

≤ 1,0

Неконцентричность покрытия, мкм

≤ 12

≤ 12

≤ 12

≤ 12

≤ 12

≤ 12

≤ 12

≤ 12

—

—

—

Длина волны нулевой дисперсии, нм

1300 ÷ 1322 1312 (Нои)

1300 ÷ 1322

1540 ÷ 1560

> 1450

—

1530 ÷ 1560

1301,5÷1321,5 1312 (ном)

1301,5÷1321,5 1312 (ном)

1301-1322

1525-1575

—

Наклон кривой дисперсии пс/(нм2 км)

0,092 0,088 (ном)

0,092 0,088 (ном)

0,095

0,045

—

—

0,092

0,092

0,092

0,092

—

Коэффициент хроматической дисперсии, пс/(нм км)

≤ 18 (1550 нм)

—

0,8 ÷ 4,6 (1550 нм)

-9 (1310 нм) 4,52(1550нм)

—

—

1,0÷6,0 (1530 ÷1565 нм)

(-0,1) ÷ (-3,5) (1550 нм)

≤ 3,5 (1525- 1575 нм)

3,5 (1525- 1575 нм)

1,0 – 6,0 (1550 нм)

Поляризационная модовая дисперсия, пс/( )

< 0,2

≤ 0,5

≤ 0,5 (1550 нм)

≤ 0,5 (1550 нм)

≤ 0,2 (1550 нм)

≤ 0,5 (1550 нм)

≤ 0,5

≤ 0,5

—

≤ 0,5

≤ 0,5

Максимальное затухание (дБ/км) на , нм

1310

0,35 ÷ 0,40

0,35 ÷ 0,40

—

—

≤ 0,5

≤ 0,5

≤ 0,34

≤ 0,40

≤ 0,34

≤ 0,45

1550

0,21 ÷ 0,30

0,21 ÷ 0,30

0,2 ÷ 0,25

0,22 ÷ 0,25

≤ 0,25

≤ 0,25

≤ 0,2

≤ 0,30

≤ 0,22

≤ 0,3

≤ 0,25

Мах. превышение затухания в диапазоне

1285 ÷ 1330 нм относительно затухания на λ=1310 нм

Менее чем на 0,1

Менее чем на 0,1

—

—

—

—

Менее чем на 0,05

Менее чем на 0,05

Менее чем на 0,05

Менее чем на 0,05

—

1525 ÷ 1575 нм относительно затухания на λ=1550 нм

Менее чем на 0,05

Менее чем на 0,05

Менее чем на 0,3

Менее чем на 0,27-0,3

Менее чем на 0,05

Менее чем на 0,05

Менее чем на 0,05

Менее чем на 0,05

Менее чем на 0,05

Менее чем на 0,05

< 0,25

Затухание в пике ОН (1383 ÷ 3 нм)

< 2,0

< 0.31

< 1,0

< 2,0

< 1,0

< 2,0

< 2,1

< 2,1

< 1,0

< 1,0

—

Механическая прочность, (ГПа) при перемотке с удлинением, %

0,7 (1)

≥ 0,7 (1)

≥ 0,7 (1)

≥ 0,7 (1)

≥ 0,7 (1)

≥ 0,7 (1)

≥ 0,7 (1)

≥ 0,7 (1)

≥ 0,8 (1)

≥ 0,8 (1)

≥ 0,8 (1)

Сила снятия покрытия, Н

1,3…8,9

1,3…8,9

1,3…8,9

1,3…8,9

3,2

3,2

3,2

3,2

—

—

—

Эффективный групповой показатель преломления для волн, нм

1310

1,466

1,466

1,4738

1,471

—

1,471

1,4675

1,4675

1,465

1,468

—

1550

1,467

1,467

1,4732

1,470

1,469

1,470

1,4681

1,4681

1,465

1,468

1,469

Числовая апертура

0,12

—

—

—

—

0,16

0,13

0,13

—

—

—

Разность показателей преломления, %

0,33

—

0,75

—

—

—

0,36

0,36

0,36

—

—

Собственный радиус изгиба, м

≥ 2

≥ 4

≥ 2

≥ 2

≥ 4

≥ 4

≥ 4

≥ 4

—

≥ 4

≥ 4

Профиль показателя преломления

ступенька

—

треугольник

—

трезубец

трезубец

ступенька

ступенька

ступенька

—

—

Рабочие окна прозрачности, нм

1310/1550

1285-1620

1530-1560

1525-1620

1530-1625

1530-1560

1310/1550

1310/1550

1300/1550

1310/1550

1310/1550

Оптоволокно: одномодовое и многомодовое

Сегодня производится множество оптических кабелей, которые основаны на одномодовых и многомодовых оптических волокнах. Например, можно оптоволокно купить для прокладки в канализационной системе, в открытом грунте. Помимо этого можно купить оптоволоконный кабель цена которого доступна каждому, для воздушной прокладки, ленточные кабеля и провода для прокладки внутри объектов.

Потребности покупателей постоянно изменяются, а объемы производства регулярно растут . Все это позволило современным производителям создать и развить систему оценки качества и модернизации. Современные компании оснащены отделами, которые занимаются дизайном и разработкой оптоволоконной продукции посредством новейшего оборудования. Это предоставило возможность проводить исследования оптических свойств. Помимо этого в практически каждой компании есть лаборатория, в которой оценивается влияние продукции на природу и безопасность человека.

Оптоволокно – тонкий стержень, изготовленный из стекла или пластика. Внутри этого стержня происходит распространение сигнального луча или пучка лучей. Центральный стержень волокна покрывается оболочкой, в качестве которого используется материал, обладающий отличным коэффициентом преломления. Именно от него зависит траектория лучей внутри самого оптоволокна.

Подбор соотношения коэффициентов преломления производится по нескольким схемам. Она может быть:

• шаговой;
• ступенчатой.
  

Ступенчатая схема оптического волокна подразумевает многослойное покрытие. При этом каждый их них обладает высоким коэффициентом преломления. Сегодня большой известностью пользуется волоконно-оптические линии связи со ступенчатым оптическим волокном.

Оптическое волокно способно функционировать в двух режимах, а именно в одномодовом и многомодовом. Многомодовый оптический кабель отличается возможностью передачи нескольких лучей одновременно. Что касается одномодового оптоволокна, то в нем передается лишь один луч.

Многомодовое волокно больше одномодового по диаметру. Стандартный диаметр многомодового кабеля может быть: 50, 62,5, 100 микрон. Этот же показатель у одномодового варьируется в пределах от пяти до десяти микрон.

Оптоволокно покрывается защитным слоем, который увеличивает его стойкость к механическому воздействию. В настоящее время оптоволокно почти смогло полностью вытеснить металлический кабель, который раньше использовался в отрасли передачи данных. Это объясняется тем, что сильно возросли требования к пропускной способности коммуникационных систем. Несмотря на это, способность пропускать информацию не единственное преимущество оптоволокна. Одно из важных свойств оптического волокна заключается в том, что сигнал, который передается по оптоволокну, не подвергаются воздействию электромагнитных полей. При этом он сам не относится к источнику возникновения помех, так как передача сигнала производится только внутри волокна. Все это способствует значительному повышению конфиденциальности передаваемой информации. Оптическое волокно отличается минимальным затуханием сигнала. Это говорит о том, что во время прокладки ВОЛС, в состав которой входит gpon оборудование, большой протяженности нужно будет использовать минимальное количество ретрансляторов-усилителей. Оптоволокно, как одномодовое, так и многомодовое, имеет высокую степень пожаробезопасности. Именно по этой причине их часто используют при создании ВОЛС на пожароопасных объектах. Сегодня оптическое волокно применяется практически во всех сферах коммуникации, поэтому довольно сложно перечислить абсолютно все перспективы применения оптоволокна.

Многомодовое кварцевое оптическое волокно (MM)

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 отдельная статья. Базовые вопросы волоконно-оптической связи (понятие оптоволокна, его основные характеристики, понятие моды…) обсуждаются в статье «Оптическое волокно».

Стоит отметить, что многомодовыми бывают не только кварцевые волокна, но и волокна, изготавливаемые из других материалов, например, пластиковое оптическое волокно (POF) и кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS). 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.

Класс волокна	Затухание, дБ/км		Минимальная ширина полосы пропускания (OFL), МГц*км		Минимальная ширина полосы пропускания (EMB), МГц*км
	850 нм	1300 нм	850 нм	1300 нм	850 нм
OM1	3,5	1,5	200	500	—
OM2			500	500	—
OM3			1500	500	2000
OM4			3500	500	4700

 

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

 

________________________________________________________________

Другие статьи об оптическом волокне и его разновидностях:

Одномодовое кварцевое оптическое волокно (SM)

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 отдельная статья. Базовые вопросы волоконно-оптической связи (понятие оптоволокна, его основные характеристики, понятие моды…) обсуждаются в статье «Оптическое волокно».

 

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)

 

________________________________________________________________

Другие статьи об оптическом волокне и его разновидностях:

Чем одномодовое оптоволокно отличается от многомодового? DFS

Сегодня волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) стали часто применяться для передачи цифровых сигналов видео, данных, сухого контакта и Ethernet не только в телевизионных, но и в территориально-распределенных системах видеонаблюдения за объектами.

При построении ВОЛС используют многомодовое, а также одномодовое оптоволокно. И хотя их основные характеристики схожи:

• хорошая пропускная способность;
• малое затухание;
• отсутствие электромагнитных помех;
• дальность передачи – десятки километров;

одномодовое оптическое волокно обладает значительными преимуществами: его конструкция предполагает распространение только одной единственной моды в ядре. Именно поэтому одномодовое оптоволокно имеет наименьшее затухание 0,25 db/км, минимальную величину дисперсии и более широкую полосу пропускания. Таким образом, одномодовое оптоволокно может обеспечивать бесперебойную передачу сигналов на расстояния до десятков километров.

Оборудование DFS для передачи данных по оптоволокну

Компания «ДФС-ТЕХНОЛОГИИ специализируется на производстве оптических приемо-передатчиков и в своей работе применяет элементные базы ведущих производителей России, США, Европы и Южной Кореи. Основные технические особенности оборудования DFS:

1. длина волны 850, 1310 или 1510 nm;
2. используются одномодовое оптоволокно с размером сердечника 9 мкм и многомодовое 62,5 мкм;
3. минимальный оптический бюджет 17 dB;
4. применяется технология «Plug and Play»;
5. монтаж в 19″ стойку, малый плоский и мини-корпус;
6. передача от 1 до 12 видео каналов;
7. 8/10-битное цифровое кодирование видео сигналов.

В нашем каталоге вы найдете различные по характеристикам приемники и передатчики, осуществляющие бесперебойную трансляцию данных как по многомодовому, так и по одномодовому оптоволокну. Получить более подробную информацию по интересующей модели можно, заполнив форму.

Наши передатчики

Многомодовые (ММ)
1 волокно

Цифровой 1-канальный оптический передатчик и приемник

• 1300 нм
• многомодовое волокно 62.5/125 нм
• лазер
• передает цифровой видеосигнал на расстояние до 4 км
• NTSC, PAL совместимы
• монтаж в 19″ стойку, наружный шкаф, на стену

Описание

Одноканальные оптические передатчики DFS серии VT1131/VR1131 обеспечивают передачу 1 видеосигнала по одному оптическому волокну. Многомодовые оптические передатчики используют 8/10-битное цифровое кодирование высокого качества.

new

Одномодовые (SМ)
1 волокно

Цифровой оптический 16-канальный передатчик видео, а также приемник видеосигналов

• 1310/1550 нм
• передатчик видео сигнала и приемник используется с одномодовым волокном
• лазер
• передача цифровой информации на расстояние до 50 км
• NTSC, PAL совместимы
• монтаж в 19″ стойку, наружный шкаф

Описание

Цифровой видео передатчик DFS серии VT16131/VR16131 обеспечивает бесперебойную передачу 16 видеосигналов по одному оптическому волокну в реальном времени. Каждый передатчик видео работает с использованием 8/10-битного цифрового кодирования высокого качества.

Одномодовые (SМ)
2 волокна

Цифровой 1-канальный оптический видео передатчик и приемник, 1 канал двунаправленных данных

• 1300 нм
• одномодовое волокно 9/125 нм
• лазер
• расстояние до 50 км
• NTSC, PAL совместимы
• монтаж в 19″ стойку, наружный шкаф, на стену

Описание

Оптические передатчики DFS серии VTD1132/VRD1132 обеспечивают передачу 1 видеосигнала и приемо-передачу 1 канала данных RS-232, RS-422, RS-485 по двум оптическим волокнам и используют 8/10-битное цифровое кодирование высокого качества.

Многомодовые (ММ)
2 волокна

Цифровой оптический 4-канальный видеопередатчик и приемник, 1 канал двунаправленных данных

• 1300 нм
• многомодовое волокно 62.5/125 нм
• лазер
• передача видео и данных на расстояние до 4 км
• NTSC, PAL совместимы
• монтаж в 19″ стойку, наружный шкаф, на стену

Описание

Оптоволоконные изделия DFS серии VTD4132/VRD4132 обеспечивают передачу 4 видеосигналов и приемо-передачу 1 канала данных RS-232, RS-422, RS-485 по двум оптическим волокнам в реальном времени и используют 8/10-битное цифровое кодирование высокого качества.

Многомодовые (MM) и Одномодовые (SМ)
1 волокно

Цифровой оптический приемник и передатчик Ethernet

• 1300/1550 нм
• многомодовое волокно 62.5/125 нм
• одномодовое волокно 9/125 нм
• лазер
• расстояние до 4 км по ММ волокну
• расстояние до 50 км по SM волокну
• NTSC, PAL совместимы
• монтаж в 19″ стойку, наружный шкаф, на стену

Описание

Оптические приемники и передатчики Ethernet cерии E1131 обеспечивают прием и передачу сигналов 100Mb в секунду по одному многомодовому (MM) или одномодовому (SM) волокну.

Статьи » Одномодовые и многомодовые оптические волокна

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 сердцевины, оптические волокна делятся на одномодовые (ОМ) и многомодовые (ММ). Строго говоря, употреблять эти понятия следует относительно конкретной используемой длины волны.

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 или 9,5 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.

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 или 9,5 мкм	50 или 62,5 мкм
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

 

Материал предоставлен Центральной Научной Библиотекой

Строение

Оптическое волокно — чрезвычайно тонкий стекляшчьш цилиндр, называемый жилой (core), покрытый слоем стекла, называемого оболочкой, с иным, чем у жилы, коэффициентом преломления. Иногда оптоволокно производят из пластика. Пластик проще в использовании, но он передает световые импульсы на меньшие расстояния по сравнению со стеклянным оптоволокном.

Каждое стеклянное оптоволокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с отдельными коннекторами. Одно из них служит для передачи, а другое — для приема. Жесткость волокон увеличена покрытием из пластика, а прочность — волокнами из кевлара. На рисунке представлен пример кевларового покрытия. Кевларовые волокна располагаются между двумя кабелями, заключенными в пластик.

Передача по оптоволоконному кабелю не подвержена электрическим помехам и ведется на чрезвычайно высокой скорости (в настоящее время до 100 Мбис/с, теоретически возможная скорость — 200 000 Мбит/с). По оптоволоконному кабелю можно передавать световой импульс на многие километры.

Многомодовое и одномодовое оптоволокно отличаются емкостью и способом прохождения света. Наиболее заметное «на глаз» отличие заключается в размере оптической сердцевины световода.

2. Многомодовое оптоволокно

На самом же деле, многомодовое оптоволокно может передавать несколько мод (независимых световых путей) с различными длинами волн или фазами, однако больший диаметр сердцевины приводит к тому, что вероятность отражения света от внешней поверхности сердцевины повышается, а это чревато дисперсией и, как следствие, уменьшением пропускной способности и максимального расстояния между повторителями (устройствами, усиливающими и ретранслирующими сигнал из одного световода в другой).

Грубо говоря, максимальная пропускная способность многомодового оптоволокна составляет около 2,5 Гбит/с.

3. Одномодовое оптоволокно

Термин «одномодовый» означает, что тонкая сердцевина световода может передавать только один световой несущий сигнал. Одномодовое оптоволокно передает свет только с одной модой, однако меньший диаметр означает меньшую дисперсию, и в результате сигнал может передаваться на большие расстояния без повторителей. Проблема в том, что как само одномодовое оптоволокно, так и электронные компоненты для передачи и приема света стоят дороже, чем для многомодового.

Одномодовое волокно

Многомодовое волокно

Пропускная способность одномодового оптоволокна превышает 10 Гбит/с.

Сегодня развитие оптоволоконных технологий во многом нацелено на реализацию идеи «световод в каждый дом». И если речь идет о массовой технологии, то здесь приходится решать проблему межсоединений. Одномодовые световоды требуют совмещения с точностью до долей микрона, многомодовые — «прощают» погрешности на порядок больше. Грубо говоря, потребителям нужны толстые волокна: их легче монтировать, они более надежны в эксплуатации.

Так что сейчас и одномодовые, и многомодовые оптические световоды мирно сосуществуют. Первые используются в основном для магистральных коммуникаций, вторые — для коротких линий.