На какие две группы делятся оптические волокна

Классификация оптического волокна

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) применяются в основном для прокладки магистральных линий связи для передачи данных на расстояния в несколько километров. Но также используются и в сетях связи в пределах одного предприятия в составе СКС.

Такое широкое применение обеспечено высоким уровнем защищенности ВОЛС и низким затуханием. При отличных технических характеристиках есть еще один неоспоримый плюс — простота прокладки оптоволоконного кабеля.

Оптоволокно имеет множество видов и классифицируется по разным признакам.

Классификация по типу волокон

Зачастую волокна подразделяют на две большие группы: многомодовые и одномодовые.

Одномодовые оптические волокна характеризуются небольшим диаметром сердцевины от 8 до 10 мкр. Благодаря этому излучение распространяется в одной моде, исключая межмодовую дисперсию. Такой вариант идеально подходит для организации телефонных линий и кабельного телевидения.

Одномодовое оптоволокно бывает трех видов:

• Стандартное — ступенчатое, с несмещённой дисперсией.
• Со смещённой дисперсией. Показатель затухания этого варианта минимален.
• С ненулевой смещённой дисперсией.

Многомодовые кабели отличаются значительно большим диаметром – 50-62,5 микрон. Из-за такого размера кабель имеет несколько мод излучения, каждая из которых распространяется под своим углом. Вследствие этого импульс из абсолютно прямоугольного преобразуется в колоколоподобный.

Все кабели с несколькими модами подразделяются на два вида:

• Ступенчатые, где преломление осуществляется скачкообразно.
• Градиентные, где преломление возрастает от центра краю.

Классификация по материалу изготовления

Существует три типовых варианта конструктива сердцевины и внешнего слоя оптического волокна:

• Стекло — стекло;
• Пластик – пластик;
• Стекло – пластик.

Самым популярным видом является цельностеклянное изготовление. При производстве используют диоксид кремния и расплавленный кварц. Для получения различных характеристик добавляются германий, фосфор или бор.

Второй тип имеет более низкие показатели по сравнению с первым – его пропускная способность существенно ниже. Однако, прокладка оптоволоконного кабеля, состоящего полностью из пластика популярна из-за существенно сниженной стоимости.

На сегодняшний день третий тип практически не используется.

Классификация по месту прокладки

Прокладка ВОЛС может осуществляться по двум каналам:

• Наружный – на воздухе, под водой, в грунте.
• Внутренний – внутри зданий.

В зависимости от окружающей среды используются кабели с различными дополнительными функциями. Например, для укладки под водой используется многослойный кабель, для прокладки оптоволоконного кабеля под землей – используется модель с защитой из железных проволок.

Оптическое волокно

Оптическое волокно представляет собой двухслойную кварцевую нить, состоящую из сердцевины и оболочки. Оболочка покрыта специальным защитным слоем, которое необходимо для защиты кварцевой оболочки от различных внешних воздействий (механических, химических). Сердцевина легирована и её показатель преломления больше, чем у оболочки. Свет распространяется в сердцевине оптического волокна, испытывая внутреннее отражение на границе с оболочкой. Свет проникает в оболочку на глубину порядка длины волны. Это покрытие необходимо для защиты кварцевой оболочки от механических повреждений и воздействия воды.

Волокна делятся на два основных типа

• многомодовые оптические волокна
• одномодовые оптические волокна

Для всех типов оптических волокон, применяемых в линиях связи, диаметр кварцевой оболочки имеет стандартный размер 125 мкм.

Недостатки многомодовых оптических волокнах:

1) В многомодовых оптических волокнах распространяются сотни мод, минимальное затухание имеют центральные моды и моды низких порядков, а с повышением порядка затухание мод увеличивается, в результате затухание многомодовых оптических волокнон больше, чем одномодовых (от 0.6 до 5 дБ на км);

2) В процессе распространения импульсы света расплываются и даже начинают перекрывать друг друга. Такое уширение импульсов называется дисперсией.

Дисперсия многомодового оптического волокна на много больше, чем одномодового. Чем меньше значение дисперсии, тем больше поток информации может быть передан по оптическому волокну.

Применение: Повышенное затухание и малая полоса пропускания ограничивает применение данного типа оптического волокна и являются причиной того, что на основе многомодовых оптических волокон (ОВ) строятся, местные, локальные и внутриобъектовые относительно низкоскоростные волоконно-оптические системы передачи данных (ВОСП).

Достоинства одномодовых оптических волокон:

1) Малое затухание (от 0,22 дБ/км);

2) Небольшая дисперсия, а значит и широкая полоса пропускания.

Применение: Одномодовые оптические волокна применяют для создания высокоскоростных магистральных и местных цифровые сетей.

Диаметр сердцевины у разных типов оптических волокон

• многомодовое оптическое волокно выпускается диаметром 50 или 62,5 мкм
• одномодовое оптическое волокно может иметь диаметр в пределах 7-9 мкм в зависимости от типа. Нормируемым параметром у одномодовых оптических волокон является диаметр модового пятна, величина которого зависит от типа оптического волокна и рабочей длины волны и лежит в пределах 8..10 мкм. В соответствии с международным стандартом ITU-T Rec. G. 652 допускается отклонение диаметра модового пятна от его средней величины не более 10 %.

Основные типы одномодовых оптических волокон согласно международным стандартам ITU-T Rec. G. 65 — G. 655

• G.652 волокна с несмещенной дисперсией (SM волокна) с длиной волны нулевой дисперсии и длиной волны отсечки в районе 1310 нм;
• G.653 волокна со смещенной дисперсией (DS волокна) с длиной волны нулевой дисперсии в районе 1550 нм и длиной волны отсечки в районе 1310 нм;
• G.654 волокна с несмещенной дисперсией (SM волокна) с длиной волны нулевой дисперсии в районе 1310 нм и длиной волны отсечки в районе 1550 нм;
• G.655 волокна со смещенной ненулевой дисперсией (NZDS волокна), обладающие малой дисперсией (0.1. 6 пс/(нм*км)) в диапазоне длин волн 1530. ..1565 нм;
• G.656 волокна с ненулевой дисперсией для систем грубого уплотнения по длинам волн (CWDM — Coarse Wavelength Division Multiplexing).

• стандартное оптическое волокно или волокно с несмещенной дисперсией SF (Standard Fiber);
• оптическое волокно со смещенной дисперсией DSF (Dispersion Dhifted Fiber);
• оптическое волокно с ненулевой смешенной дисперсией NZDSF (Non-Zero Dispersion Shifted Fiber)

Что такое длина волны отсечки?

Классы оптического волокна

Стандарты ISO/IEC 11801 и ISO/IEC 24702 описывают следующие классы оптического волокна:

• OS1 — одномодовое оптическое волокно типа 9/125;
• OS2 — одномодового оптического волокна с улучшенными характеристиками по сравнению с классом OS1 (добавлено в стандарте ISO/IEC 24702);
• ОМ1 — многомодовое оптическое волокно типа 62,5/125;
• ОМ2 — многомодовое оптическое волокно типа 50/125;
• ОМ2 plus — многомодовое оптическое волокно типа 50/125 Laser Grade;
• ОМ3 – высокоскоростное многомодовое оптическое волокно типа 50/125;
• ОМ4 – оптимизированное многомодовое оптическое волокно типа 50/125.

Таблица №1 — Характеристик всех классов оптического волокна (ОВ)

Главными отличительными параметрами каждого класса оптического волокна, являются величина затухания, скорость передачи сигнала и дистанция, а для классов многомодового оптического волокна еще важны коэффициент широкополосности при насыщенном возбуждении и коэффициент широкополосности при лазерном возбуждении. Отличие этих двух параметров заключается в разных активных источников сигнала. Коэффициент широкополосности при насыщенном возбуждении рассчитывается на базе светоизлучающего диода LED. Коэффициент широкополосности при лазерном возбуждении рассчитывается на базе лазера VCSEL (поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором).

Новые перспективные высокоскоростные оптимизированные многомодовые оптические волокна классов ОМ3 и ОМ4 могут работать на скоростях 100 Гбит/с. На ОМ3 работает лазер на вертикальном резонаторе VCSEL, на ОМ4 используются лазеры FP (Фабри-Перо) и лазеры DFB (с распределенной обратной связью). Оптические волокна классов ОМ3 и ОМ4 имеют дополнительный существенный параметр — коэффициент широкополосности при лазерном возбуждении.

Оптическое волокно класса OS1 используется в оптических кабелях с плотным буфером, а оптическое волокно класса OS2 — в оптических кабелях со свободным буфером.

Классы оптических волокон OS1 и OS2 различаются величиной затухания сигнала.

Типы оптического волокна

Оптические волокна (ОВ), уложенные в оптический кабель (ОК) для защиты их от внешних воздействий при эксплуатации линии связи и сохранения при строительно-монтажных работах, вот уже более 40 лет используются в качестве среды передачи сигнала. За всё это время было разработано и стало применяться огромное количество видов оптоволокна, обладающих различными свойствами, что даёт возможность применять их для решения разнообразных задач.

В данном обзоре рассмотрим ключевые свойства ОВ и области их применения. Почитать о конструкции и принципе работы волокна в качестве световода можно в статье, посвящённой оптическим кабелям с ОВ двух основных типов — одномодовыми и многомодовыми.

Знание параметров ОВ и ОК нужно не только инженерам-проектировщикам систем связи, но и менеджерам разного уровня, принимающим решения по развитию сети и закупке ОК, а также всем, кто хочет получить более подробную информацию о факторах, которые могут быть решающими для конкретных применений. Дополнительные сведения можно также получить и из первых рук — от компаний-производителей.

Оптическое волокно для промышленных целей выпускается как кабельными (в основном для собственных кабелей), так и специализированными зарубежными компаниями: Alcatel, Corning, Fujikura, OFS (Furukawa), Sumitomo и др.

Ниже рассмотрим классификацию промышленно выпускаемых одномодовых и многомодовых ОВ и их характеристики.

Классификация промышленных типов оптических волокон

Оптическое волокно или световод — это гибкий и прозрачный (стеклянный или пластмассовый) цилиндрический стержень с поперечным сечением в форме круга. Он состоит из трех слоев: сердцевины, оболочки и покрытия.

В системах связи ОВ является основной средой для передачи сигнала. Сигнал — модулированная по интенсивности световая волна — распространяется в основном внутри сердцевины диаметром от 6 до 62,5 мкм (в зависимости от типа волокна), а точнее — по цилиндрическому волноводу, образованному сердцевиной и оболочкой, используя явление полного внутреннего отражения (ПВО) света от границы раздела «сердцевина-оболочка».

Существуют четыре основных параметра, по которым обычно проводят классификацию типов оптоволокна:

• по числу распространяющихся в них типов волн или мод: многомодовые (ММ) и одномодовые (ОМ);
• по профилю показателя преломления: ступенчатый, параболический (градиентный) и специальный;
• по типу характеристики дисперсионного параметра D: SF (стандартное), DSF (со сдвигом нуля дисперсии), NZDSF (с ненулевой смещенной дисперсией) и ZWP (с нулевым водяным пиком);
• по знаку дисперсионного параметра D: для перечисленных выше типов ОВ он положителен в области рабочих длин волн, а у DSF — волокно для компенсации дисперсии D отрицательно, это ОВ специального типа используется в модулях компенсации дисперсии DCM.

Кроме этого, существует ряд других ОВ специального типа с узко специализированным назначением.

Классификация многомодовых ОВ

ММ волокна по профилю показателя преломления делятся на:

• волокна со ступенчатым (прямоугольным) профилем показателя преломления;
• волокна со сглаженным (типа квадратичной параболы) профилем показателя преломления, также называемым градиентным.

Кроме того, они (условно) делятся на четыре класса в зависимости от материала ОВ:

• класс А1: стекло/стекло, диаметры сердцевины/оболочки: 50/125, 62,5/125, 85/125 и 100/140 мкм;
• класс А2: стекло/стекло, диаметры сердцевины/оболочки: 200/240 мкм;
• класс АЗ: стекло/пластмасса, диаметры сердцевины/оболочки: 200/280 мкм;
• класс А4: пластмасса/пластмасса, диаметры сердцевины/оболочки: 980/ 1000 мкм.

В телекоммуникационных системах применяются почти исключительно волокна класса А1 (практически только первые два типоразмера). Учитывая относительно большое затухание ММ волокна, оно используется при прокладке внутри объектов или на небольшие расстояния до 1–2 км. В этой связи его основным потребителем являются локальные сети, а не сети связи, ориентированные на одномодовые ОВ.

Кроме того, стандарт ISO/IEC 11801 (начиная с версии 2002 г.) определил четыре категории ММ ОВ: ОМ1, ОМ2, ОМЗ и OM4 и, соответственно, четыре класса ММ ОВ каналов, отличающихся значением широкополосности. Максимальный по этому параметру класс позволяет многомодовым ОВ обеспечить дальность передачи гигабитного Ethernet (GE) 3 км.

Классификация одномодовых ОВ

ОМ волокна обычно изготавливаются из кварцевого стекла (SiO₂), имеют постоянный диаметр оболочки 125 мкм, а диаметр сердцевины составляет 7–10 мкм, однако нормируемым параметром является диаметр модового поля (8–11 мкм), который лучше характеризует потери при вводе света в ОВ и зависит от длины волны (фактически он на 10–12 % больше диаметра сердцевины). Методы измерения этого параметра определены стандартами: европейскими IEC 793-1-С9 и американскими EIA/TIA-455-164/-165/-167А.

По профилю показателя преломления

• волокна со ступенчатым (прямоугольным) профилем ПП;
• волокна с профилем ПП специального типа в форме трезубца, простого треугольника, сегментированного треугольника, треугольника на прямоугольном пьедестале, W-образного профиля, многоступенчатого (квадругольного) профиля и др.

Изменение профиля ПП позволяет изменить положение точки нулевой дисперсии, наклон дисперсионной кривой и значение дисперсии в конкретной области длин волн.

По характеристике дисперсии

Профили ПП определяют не только уровень и характер изменения дисперсии, но и тип одномодового ОВ. Как правило, выделяют 3 типа профилей: для ОВ без сдвига дисперсии, со сдвигом нуля дисперсии в третье окно прозрачности (вблизи 1550 нм) и с выравниванием дисперсии (в определенном диапазоне третьего окна прозрачности, т. е. также вблизи 1550 нм). В соответствии с этим ОМ волокно делят на:

• стандартное одномодовое волокно, или ОВ с несмещенной дисперсией (SF — стандартное ОВ, SSF или SSMF — стандартное одномодовое ОВ;
• ОМ ОВ со смещенной точкой нулевой дисперсии (DSF — называется «ОВ со смещенной дисперсией»), позиция «D» дисперсии смещается в точку 1550 нм;
• ОМ ОВ с ненулевой дисперсией в точке, где у DSF расположен «0» дисперсии, но с «0» дисперсии, смещенным в область 3-го окна (NZDSF — называется «ОВ с ненулевой смещенной дисперсией»), оно имеет небольшую и медленно растущую дисперсию в диапазоне рабочих длин волн оптических усилителей EDFA.

Классификация специальных типов волокон

В связи с развитием систем с WDM и оптических усилителей (ОУ), а также ряда специальных применений появились специальные типы оптических волокон:

• кварцевое оптоволокно для компенсации дисперсии — DCF (Dispersion Compensation Fiber) — ОВ, используемое в специальных модулях компенсации дисперсии — МКД или DCM (Dispersion Compensation Module);
• кварцевое ОВ, легированное эрбием — EDF (Erbium Dropped Fiber) — ОВ, используемое в оптических усилителях типа EDFA (Erbium Dropped Fiber Amplifier, эрбиевый оптический усилитель);
• кварцевое ОВ, легированное неодимом — NDF (Neodim Dropped Fiber) — ОВ, используемое в ОУ типа NDFA (Neodim Dropped Fiber Amplifier, неодимовый оптический усилитель);
• волокно, сохраняющее (состояние) поляризации — PMF (Polarization Maintaining Fiber) — ОВ, используемое в целом ряде волоконных датчиков, требующих сохранения состояния поляризации;
• кварцевое оптическое волокно для УФ спектра (например ОВ, используемое в диапазоне 190–250 нм для различных применений);
• брэгговское волокно — кварцевое ОВ с большой площадью поперечного сечения сердцевины (с диаметром сердцевины 300–800 мкм для создания световых потоков большой яркости и мощности, используемых при измерении и для транспортировки лазерных пучков большой мощности);
• фотонно-кристаллическое волокно — ОВ на основе технологии фотонных кристаллов — ФКВ или PCF (Photonic Crystal Fiber) — новое фотонно-кристаллическое волокно, применяемое для создания соединительных шнуров лазерного и оптического усилительного оборудования.

Ниже рассмотрены основные типы и характеристики современных оптических волокон, выпускаемых (как для целей магистральной связи, так и специальных ОВ) компаниями-производителями Corning, Fujikura и Sumitomo — наиболее широко представленными на российском рынке.

Волокно, используемое производителями кабельной продукции, может свободно выбираться потребителями для обеспечения своих конкретных нужд на стадии оформлении заказа. Для удобства потребителя сведения о параметрах ОВ и рекомендуемые стандартами ITU-T значения обычно представляются в виде таблиц. Эти таблицы можно найти в описаниях стандартов, а также в спецификациях производителей волокна.

Подписывайтесь на канал ВОЛС.Эксперт

Показываем, как правильно выполнять монтаж оптических муфт и кроссов, разбираем частые ошибки, даем полезные советы специалистам.

Основные характеристики ММ волокон

Основные параметры ММ ОВ описаны и регламентированы в рек. G.651. Однако рек. G.651 не отражает, естественно, все разнообразие марок ММ ОВ. Значительно более информативны спецификации, приводимые в каталогах компаниями-производителями.

Параметры, перечисленные в спецификациях, как правило, достаточно понятны, однако некоторые из них нуждаются в пояснении.

• Тип волокна — стандартное или градиентное ММ ОВ. Иногда градиентное ОВ обозначается как GIF;
• Рабочие окна прозрачности — приведены только используемые окна: в окрестности 850 нм и 1310 нм;
• Затухание, прирост затухания, полоса пропускания, хроматическая дисперсия и групповой показатель преломления даются для двух длин волн — 850 и 1310 нм, соответствующих используемым окнам прозрачности;
• Широкополосность или параметр BW(band width) — имеет размерность [МГц∙км], т. е. соответствует ширине полосы, обеспечиваемой ВОЛС на длине 1 км (этот параметр иногда называют коэффициентом широкополосности, хотя правильнее говорить об относительной/нормированной полосе пропускания). Для ВОЛС длины L фактически обеспечиваемая полоса вычисляется как BW/L, т. е. она обратно пропорциональна длине линии. Этот параметр нормируется только для ММ ОВ, для которых трудно вычислить эквивалентную модовую дисперсию. Компания Corning чаще указывает гарантированное расстояние передачи гигабитного (GE) или 10-гигабитного (10GE) Ethernet, что более информативно, т. к. учитывает фактическую BW сигнала Ethernet.
• Динамическая усталость — фактор сопротивления динамической усталости, определяющий способность ОВ противостоять долговременным механическим нагрузкам (чем выше n, тем больше надежность волокна).

Одномодовые ОВ, регламентированные стандартами ITU-T

Основные параметры ОМ ОВ описаны и регламентированы в рек. ITU-T G.650, G.652–657, которые используются в основном для ссылок в официальных документах на тип волокна. В них, однако, приводятся основные (чаще всего предельные) характеристики ОВ соответствующих категорий (типов).

ITU-T (МСЭ-Т) регламентируют шесть типов ОМ ОВ, а именно:

• G.652 (тип SF — Standard Fiber) — стандартное, наиболее широко используемое ОМ ОВ с положением «0» дисперсии на длине волны 1310 нм; сегодня существуют четыре его модификации: G.652.A, G.652.B, G.652.C и G.652.D;
• G.653 (тип DSF — Dispersion Shifted Fiber) — ОМ ОВ со сдвигом «0» дисперсии на длину волны 1550 нм; основное ОМ ОВ, используемое в системах SDH, использующих одну несущую; сегодня существуют две его модификации: G.653.А и G.653.В;
• G.654 (тип CSF — Cut-off Shifted Fiber) — ОМ ОВ со сдвигом длины волны отсечки с 1260 на 1530 нм для увеличения диаметра модового поля (до 13,7 мкм максимум), т. е. площади поперечного сечения сердцевины; на практике используется редко, сегодня существуют четыре его модификации: G.654.A, G.654.B, G.654.C и G.654.E;
• G.655 (тип NZDSF — Non-Zero Dispersion Shifted Fiber) — ОМ ОВ со сдвигом «0» дисперсии в 3-е окно (1550 нм), но за пределы области 1530–1565 нм, где его дисперсия мала по величине и наклону; ОВ изготавливаются с симметричными положительными и отрицательными дисперсионными характеристиками, для использования схем с управляемой дисперсией; длина волны отсечки у них сдвинута с 1260 на 1450 нм; широко применяется в системах WDM, использующих несколько несущих в одном ОВ; сегодня существуют 5 его модификаций: G.655.A, G.655.B, G.655.C, G.655.D и G.655.Е;
• G.656 (тип NDFWT — Non-zero Dispersion Fiber for Wideband Transport) — ОВ, формально похожий на ОВ типа G.655, но имеющий малую по величине и наклону дисперсию в более широком диапазоне длин волн — 1460–1625 нм; предназначен для широкополосных транспортных сетей WDM и DWDM;
• G.657 (тип — Bending Loss Insensitive Fiber) — ОВ, формально похожий на стандартное ОВ типа G.652.D, но предназначенный для сетей доступа и локальных сетей с горизонтальной подсистемой, связывающей несколько зданий; его основная особенность — существенно сниженные потери при макроизгибах и уменьшенный допустимый радиус изгиба (до 7,5 мм минимум), облегчающие прокладку внутриобъектовых и локальных сетей; кроме того, данный тип ОВ имеет более жесткие механические допуски; сегодня существуют две его модификации: G.657.А и G.657.В.

Каталоги оптического волокна позволяет проектировщикам ВОЛС ориентироваться в типе и параметрах одномодовых ОВ, на которые производители ссылаются чаще всего по названию стандарта.

Основные характеристики ОМ волокон

• Тип волокна — один из 6 типов, описанных выше. Для ОМ ОВ с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF) знак «+» означает, что дисперсионный параметр D положителен, знак «–» — что он отрицателен, этот знак важен для систем, использующих управление дисперсией, в том числе и с помощью DCM — модулей компенсации дисперсии. Кроме этих типов ОВ, производители предлагают ОВ типа ZWPF (Zero Water Peak Fiber) — волокно с нулевым водяным пиком, разработанные для систем CWDM, которое может работать в полосе от 1270 до 1625 нм.
• Рабочие окна прозрачности — кроме обозначений окон указывается и более точный интервал, например 1530–1565 нм, если ОВ оптимизировано для работы именно в нем. Сначала под окнами понимались узкие области минимумов кривой поглощения света в ОВ в окрестности: 850 нм (1), 1310 нм (2) и 1550 нм (3). Сегодня 2-е окно — это область 1270–1325 нм, 3-е окно — 1528–1565 нм, 4-е окно — 1565–1625 нм, 5-е окно — 1325–1450 нм. Например, волокно AllWave компании OFS (и другие ОВ типа ZWP) может работать в четырех окнах: 2–5.
• Затухание дается как для фиксированных длин волн — 1310, 1383 нм (водяной пик затухания, вызванный гидроксильной группой OH), 1550 нм, так и в диапазонах внутри окон, что важно для прикидки возможности использования ОВ в системах WDM. Как правило, приводятся два значения (через разделительную черту): первое соответствует максимально возможной величине, второе — фактически наблюдаемой на практике (на него можно ориентироваться с большой долей вероятности).
• Прирост затухания приводится (при использовании в широком диапазоне температур) для двух диапазонов температур (–60 – 55 °С) или (–60 — 85 °С) через разделительную черту, если дано одно из них, то знак «–» означает отсутствие данных для другого диапазона. Аналогичный прирост может быть и от других факторов, например, при эксплуатации ОК в водной среде или от чрезмерно малого радиуса кривизны при частых изгибах ОВ и др.
• Длина волны отсечки — минимальная длина волны, при которой ОВ поддерживает распространение только одной моды излучения. Приводятся (через разделительную черту) оба значения: для сердцевины и кабеля в целом или одно из них (знак «–» означает отсутствие данных). Первое значение обычно выше второго, которое определяется в результате измерений и служит практическим ориентиром длины волны отсечки. Если кабель используется для передачи несущих с длинами волн ниже длины волны отсечки, то ОВ фактически становится многомодовым, а возникающие дополнительные моды могут привести к существенному увеличению дисперсии.
• Длина волны нулевой дисперсии приведена по стандарту либо оценена на основании других данных. Вместе с наклоном при нулевой дисперсии она дает возможность грубо оценить значение дисперсии для конкретной длины волны, используя интерполяционные формулы.
• Область ненулевой дисперсии приводится для ОМ ОВ, оптимизированного для работы с системами WDM в указанной области. Знание ее важно при оценке влияния так называемого четырёхволнового смешения (относящегося к нелинейным эффектам) на эти системы.
• Изменение дисперсионного параметраD, в З окне приводится для ОМ ОВ с ненулевой дисперсией и соответствует границам указанного окна. Знание D важно для расчета накопленной дисперсии на длине пролета (span) — участка передачи, перекрываемого одним оптическим усилителем. Ограничения на нее приводятся в спецификациях на системы WDM в рамках параметра, называемого конфигурацией системы, например, 4х33, 5х30, где первая цифра — число пролетов на одну секцию, а вторая — бюджет ОУ на пролет в дБ.
• ДисперсияPMDдля протяженной линии — этот параметр дает статистическое значение PMD в кабеле. Данный параметр используется для более достоверной оценки накопленной (на длине секции) дисперсии PMD для высокоскоростных систем связи (10 Гбит/с и выше).
• Эффективная площадь светового поля — этот параметр вводится, как эквивалент площади сердцевины для систем DWDM. В них используются лазерные источники высокой интенсивности, что ведет к росту нелинейных эффектов. Для снижения плотности оптической мощности необходимо увеличивать эффективную площадь светового поля, что делается за счет оптимизации профиля показателя преломления (ПП). Например, в волокне LEAF (компании Corning) эта площадь повышена настолько, что дает прирост допустимой мощности источника излучения на 2 дБ (используемый профиль ПП — трезубец).
• Вид профиля показателя преломления — кроме прямоугольного профиля ПП, в волокнах типа NZDSF для формирования относительно плоской дисперсионной характеристики (с малой величиной дисперсии) используются специальные профили ПП. Наиболее широко используемые из них — трезубец и треугольник на пьедестале (ꓥ-профиль), формируемые при использовании нескольких оболочек с разным значением ПП.
• Радиус собственной кривизны волокна — параметр, влияющий на смещение центра волокна при укладке его для сварки в V-образную канавку (чем меньше радиус, тем больше смещение).

Ряд других параметров — механических, точностных и температурных — обычно отражен в меньшей степени.

Рекомендации по применению оптических волокон в системах связи

Раньше все волокна использовались в основном в системах магистральной связи с технологиями PDH, SDH и WDM. Сегодня они стали использоваться в сетях доступа — PON, FTTB, FTTH с технологиями Ethernet, IP, ATM и локальных сетях. Приводим краткую сводку рекомендаций, которые накопились в процессе использования в них ОВ:

• ММ ОВ используются сегодня только в локальных сетях и сетях доступа и практически не используются в сетях PDH, SDH и WDM, хотя раньше и использовались в сетях PDH, как правило, в окне 1310 нм.
• Волокна SF (рек. С.652) используются наиболее широко (хотя они самые старые и массовые типы ОВ, но они постоянно совершенствуются — например, SMF-28 Ultra компании Corning). За последние годы их фактическое затухание было уменьшено (до величин 0,17 дБ/км) и может соответствовать требованиям рек. G.654.
• SF G.652 последних модификаций фактически стали волокнами типа ZWP и могут быть использованы для любых применений, в том числе для систем CWDM и для высокоскоростных одноканальных систем SDH вплоть до скоростей 40 Гбит/с. Их единственный недостаток — большая хроматическая дисперсия (ХД) на длине волны 1550 нм (17–20 пс/нм/км), может быть устранен использованием модулей компенсации дисперсии DCM или же использованием метода управления дисперсией. Именно такое решение применяется не только для SDH, но и для WDM, когда используется старая кабельная сеть.
• Волокна DSF (рек. G.653) широко используются для систем SDH (STM-16 и выше). Однако, если в перспективе предстоит переход на системы WDM, то их использование нежелательно (ввиду ярко выраженного эффекта четырёхволнового смешения (ЧВС), т. к. нуль дисперсии лежит внутри рабочего диапазона систем WDM, облегчая возникновение ЧВС).
• Волокна CSF (рек. G.654), учитывая большую площадь сердцевины и малое затухание, предназначаются в основном для трансокеанских ВОЛС, где требуется использовать большой уровень входного сигнала для реализации секций большой длины. Таким является ОВ Vascade EX1000 компании Corning, разработанное для подводных ВОЛС без ОУ. Его данные: тип G.654C, затухание 0,16–0,17 дБ/км, дальность пролета до 310 км (при одном EDFA) и до 400 км (при тандеме EDFA-Raman).
• Волокна NZDSF (рек. G.655) оптимизированы для работы в системах WDM. Выбор конкретной марки ОВ при этом зависит от используемого диапазона длин волн, т. к. внутри него значение дисперсии не должно быть нулевым (для исключения ЧВС). В пределах выбранного диапазона оно должно быть одного знака и составлять не менее 2–4 пс/нм/км.
• Волокна NDFWT (рек. G.656) также предназначены для работы с WDM. Они позволяют увеличить разнос несущих и тем самым использовать более высокие скорости передачи, применяемые для мультиплексирования в системах WDM, однако, открытым остается вопрос о создании широкополосных ОУ.
• Волокна BLIF иногда используется обозначение BIF (рек. G.657) оптимизированы для работы в локальных сетях и для использования при внутриобъектовой проводке, поскольку при прокладке в пределах здания можно столкнуться с вынужденными макроизгибами по трассе волоконно-оптического кабеля.
• С точки зрения использования ОВ для среднескоростных систем SDH (до 2,5 Гбит/с включительно — STM-16), можно констатировать, что при одной несущей может быть использовано любое ОВ, удовлетворяющее по затуханию и накопленной дисперсии требованиям заказчика. Если предполагается впоследствии переходить к WDM, то можно применять любое ОВ, кроме DSF, используя при этом альтернативные технических решения: либо волокно SSMF + волокно DCF, либо волокно NZDSF с малым наклоном кривой D, либо чередование NZDSF+/NZDSF– (метод с управлением дисперсией) — конкретный выбор диктуется экономическими соображениями.
• С точки зрения использования ОВ для высокоскоростных систем SDH (10 Гбит/с и выше, т. е. на уровне STM-64, STM-256), можно констатировать, что при одной несущей может быть использовано любое ОВ, удовлетворяющее по затуханию, накопленной дисперсии и величине поляризационной модовой дисперсии — PMD (она должна быть не хуже 0,1–0,2 пс/км -1/2 ) или допуску на ее накопленное значение требованиям заказчика. Если предполагается впоследствии переходить на WDM, то главным остается требование по ограничению накопленной PMD, а в остальном соображения те же, что и в предыдущем пункте (наилучшим при этом будет использование метода с управлением дисперсией).

Рекомендуем ознакомиться с описанием выпускаемой волоконной продукции фирмы Corning в соответствующем материале либо на сайте производителя.

Виды оптических волокон

• 08.09.2022
• Опубликовано Modultech
• Вкл 24.03.2022
• 0 комментарии

Оптическое волокно – это тонкая стеклянная нить круглого сечения, предназначенная для передачи информационных сигналов по средствам световых импульсов в инфракрасном диапазоне. Конструктивно оптический световод представляет собой коаксиальную структуру, состоящую из сердцевины и оболочки, покрытых акрилатным составом для защиты от внешней среды.

Конструкция и принцип работы оптического волокна

Оптическое волокно состоит из сердцевины (в некоторой литературе называется сердечник) и оболочки, материалом для которых является плавленый кварц.

Конструкция оптического волокна

Несмотря на то, что обе части волокна сделаны из кварцевого стекла, они обладают разными показателями преломления: сердцевина имеет более высокий показатель преломления, оболочка – меньший. Сердцевина волокна служит для передачи светового потока, в то время как оболочка нужна для создания условий для явления полного внутреннего отражения.

Внутреннее отражение – это явление отражения электромагнитной волны (свет тоже является электромагнитной волной)от границы раздела двух сред (отмечено на рисунке ниже).

Явление полного внутреннего отражения в волокне

Для появления данного эффекта, волна должна подаваться из оптически более плотной среды в менее плотную, в таком случае отражение волны пройдёт без потери энергии импульса. Благодаря полному внутреннему отражению световой поток в рамках оптического волокна способен преодолевать значительные расстояния, от сотен метров до сотен километров.

При деформации (изгибе) оптического волокна условия для эффекта полного внутреннего отражения нарушаются и часть светового потока выходит в оболочку.

Возникновение затуханий на изгибе волокна

Выход части энергии света в оболочку приводит к затуханию передаваемого оптического сигнала, поэтому у любого оптического кабеля есть значения минимального радиуса изгиба, соблюдения которого, гарантирует отсутствия дополнительных затуханий, связанных с деформацией волокна.

Типы оптических волокон

Оптические волокна делятся на две группы: многомодовые и одномодовые. Конструктивно они отличаются только диаметром сердцевины: у многомодовых волокон, она больше длины волны, передаваемых сигналов, за счёт чего по волокну передаётся несколько оптических мод (лучей), у одномодовых, сердцевина меньше длины волны сигнала и это позволяет передавать только одну моду.

Передача света в одномодовых и многомодовых волокнах

Любое оптическое волокно характеризуется 3 основными параметрами:

1. вносимое затухание;
2. дисперсия сигнала;
3. ширина полосы пропускания.

Все 3 параметра связаны друг с другом. График собственных потерь в волокне позволяет оценить взаимосвязь между полосой пропускания и вносимыми потерями. Дисперсия же в большей степени связана с типом волокна и с длиной волны передачи.

График собственных потерь в волокне

На графике хорошо видны 3 основных спектральных диапазона наиболее подходящих для передачи световых импульсов. Эти диапазоны называются – окна прозрачности. Всего в современных оптических волокнах выделяют 5 окон прозрачности:

1. Первое окно прозрачности – 850 нм, задействовано только в многомодовых волокнах;
2. Второе окно прозрачности – 1300 нм, используется как в многомодовых, так и в одномодовых волокнах;
3. Третье окно прозрачности – 1550 нм, используется для передачи сигналов в одномодовых волокнах;
4. Четвёртое окно прозрачности – 1580 нм, является «расширением» третьего окна прозрачности в современных одномодовых волокнах;
5. Пятое окно прозрачности – 1400 нм, используется в одномодовых волокнах и актуально только для современных стандартов волокна, таких как G.652C или G.652D.

Многомодовое волокно – Multi Mode Fiber (MMF)

Многомодовые волокна – это оптические волокна с диаметром сердцевины, большим чем передаваемая длина волны, что приводит к распространению по световоду нескольких оптических мод. Из-за многомодового режима в данном типе волокон наблюдается явление межмодовой дисперсии, которое значительно снижает безретранслиционную дальность распространения сигналов.

Диаметр оболочки у данного типа волокон может быть, как 250 мкм, так и 125 мкм, последнее на сегодняшний день является более распространённым. Диаметр сердцевины составляет 62,5 мкм для категории ОМ1 и 50 мкм для категорий ОМ2-ОМ5.

Сравнение диаметра ОМ1 и ОМ2-5

Световые сигналы в многомодовых волокнах могут передаваться в первых 3-х окнах прозрачности, но фактически для передачи используются первое и второе окно. Для генерации сигналов используют лазеры LED и VCSEL. Они достаточно просты и недороги в производстве, что является преимуществом.

Использования первых 2-х окон прозрачности накладывает значительные ограничения на ширину полосы пропускания, в связи с чем в рамках многомодовых кабельных сетей практически не встречается спектрального уплотнения. Первое волокно, с достаточной для уплотнения полосой пропускания в первом окне прозрачности, представили в 2016 году – MMF OM5. Это волокно позволяет организовать систему спектрального уплотнения по технологии SWDM (Short Wavelength Division Multiplexing), с рабочим диапазоном 846 – 953 нм. Напомним, что технология позволяет мультиплексировать и передавать 4 длины волны в рамках одного многомодового волокна.

В данный момент существует 5 категорий MMF волокон для телекоммуникационных сетей:

1. ОМ1. Пропускная способность 100Мбит/с на расстояние до 2000 метров, поддерживаются волны 850 и 1300 нм. Устаревший тип волокна, который в наше время почти не используется.
2. ОМ2. Разработано для приложений 1.25Гбит/с до 550 м, на волнах 850 и 1300 нм, также поддерживает скорость 10Гбит/с до 82 м. Используется оболочка оранжевого цвета.
3. ОМ3. Оптимизировано для 10GbE до 300м на волне 850 нм. Маркируется голубым цветом (аква).
4. ОМ4. Оптимизировано для лазеров VCSEL 850 нм. Предназначено для передачи 40G (350 м) и 100G (100м) сигналов в центрах хранения данных. Для данной категории используется фиолетовый цвет (фуксия). Данная категория многомодового волокна наиболее актуальная на сегодняшний день.
5. ОМ5. Данная категория волокна разработана для использования технологии SWDM (коротко – волновое мультиплексирование), в которой используется 4 длины волны – 850, 880, 910 и 940 нм. Возможна передача 100G (4x25G) на расстояние до 150 м и 40G (4x10G) до 440 м. Категории ОМ5 присвоен цвет лайма (ярко-зелёный).

Сводная таблица по категориям ОМ

По совокупности качеств, MMF волокна нашли применение в локальных сетях, организации соединений в пределах одного здания или рядом стоящих зданий. Наибольшее распространение они получили в серверных и центрах обработки данных.

Одномодовое волокно – Single Mode Fiber (SMF)

Одномодовые волокна – это оптические волокна с диаметром сердцевины меньшим, чем передаваемая длина волны. За счёт чего в рамках волокна передаётся одна световая мода. Диаметр оболочки у одномодовых волокон зачастую составляет 125 мкм, диаметр сердцевины 9 мкм. Современные SMF волокна прозрачны во всех 5 окнах прозрачности, но первое (850 нм) как правило, не используется.

В одномодовых волокнах существует явление хроматической дисперсии. Наибольшее влияние оно оказывает на высокоскоростные сигналы от 10 Гбит/с и выше. Суть этого явления заключается в уширении импульса сигнала в процессе прохождения волокна, то есть чем больше расстояние передачи, тем сильнее исказиться сигнал. Данное явление может привести к «не читаемости» светового импульса при одиночной передачи или к наложению сигналов. Накладываются сигналы друг на друга в рамках системы спектрального уплотнения. Обе ситуации приводят к возникновению ошибок передачи данных. Для борьбы с этим явлением используют разные инструменты:

• Компенсаторы дисперсии – устройства, которые устанавливают на линии, в составе системы уплотнения. Изготавливаются из специального волокна со смещенной дисперсией или на основе решётки Брэга;
• Различные механизмы кодирования сигнала, например, FEC – механизм коррекции ошибок, использующий избыточное кодирование или CDR – механизм восстановления синхроимпульсов.

Схематичное изображение импульса сигнала до и после дисперсии

Важным преимуществом одномодовых волокон является широкий диапазон пропускания, от 1260 нм до 1620 нм. Это позволяет использовать системы спектрального уплотнения xWDM, для передачи сигналов на разных длинах волн в одном волокне. Таким образом, можно увеличить пропускную способность волокна, используя их с большей эффективностью. В данный момент разработано несколько систем уплотнения:

• CWDM – грубое спектральное уплотнение. Использует 18 длин волн с шагом 20 нм, во всём доступном диапазоне 1270-1610 нм. Используется в городских сетях;
• DWDM – плотное спектральное уплотнение. Позволяет использовать 44 или 88 длин волн с шагом 0,8 или 0,4 нм соответственно. Работает в диапазоне 1530 – 1625 нм, что позволяет использовать оптические усилители. Технология DWDM разработана для создания протяжённых магистралей с высокой пропускной способностью;
• LWDM и MWDM относительно молодые технологии, созданные для сетей 5G со скоростью передачи данных ≥25 Гбит/с. Используют наработки технологий CWDM и DWDM. Рабочий диапазон лежит в области первого окна прозрачности 1310 нм, т.к. хроматическая дисперсия почти не оказывает влияния на передаваемые сигналы.

В телекоммуникационных сетях связи используется несколько типов одномодовых волокон:

• Стандартное G.652D – наиболее распространённый и широко применяемый тип. Используется в локальных и городских сетях. Зона нулевой дисперсии расположена в области волны 1310 нм. Предыдущие 3 модификации G.652A, G.652B, G.652C в данный момент не актуальны;
• Волокно устойчивое к изгибам G.657 отличается от G.652D тем, что предназначено для сетей доступа и локальных сетей. Оно обладает уменьшенным радиусом изгиба до 7,5 мм, что существенно снижает потери при прокладке внутри зданий и помещений;
• Волокно со смещённой ненулевой дисперсией G.655, разработано для систем спектрального уплотнения. Длина волны отсечки сдвинута с 1260 нм на 1450 нм, зона нулевой дисперсии сдвинута в третье окно прозрачности. Существует 5 модификаций, от А до Е. Данный тип волокон широко используется в междугородних линиях связи, протяжённостью более 100 км;
• Специализированные волокна. Существуют стандарты волокон – G.653, G.654, G.656. Каждый из них узко специализирован и не имеет широкого распространения.

Пластиковое (полимерное) волокно – Plastic/Polymer Optical Fiber (POF)

Данный вид оптических волокон является ответвлением от описанных выше и имеет значительные отличия от них. Как следует из названия, сердечник и оболочка сделаны из пластика, в основном используется акриловое стекло и полистирол. Важным отличием пластиковых волокон являются увеличенные размеры, так сердцевины составляет 980 мкм, а оболочки 1 мм.

Сравнение диаметров волокон SMF, MMF, POF

Из-за большого диаметра сердечника, пластиковые волокна функционально являются многомодовыми. Они так же наследуют явление межмодовой дисперсии, которая в них выражена ещё сильнее, что приводит к снижению максимальной дальности и скорости передачи. При этом пластиковые волокна гораздо проще в использовании. Относительно большие габариты позволяют уменьшить допуски при изготовлении коннекторов, что позитивно сказывается на их цене. Оконцовка пластиковых волокон также не требует особых инструментов, иногда достаточно обычных ножниц.

Для передачи данных в POF о волокнах используют лазеры с длиной волны 650 нм, из видимого диапазона излучения, которые также проще и дешевле в изготовлении.

Из-за совокупности этих качеств, пластиковые волокна, называют «бытовыми». Они хорошо подходят для домашнего использования, где расстояния редко превышают 100 м, например, в цифровых бытовых приборах, домашних сетях и некоторых промышленных сетях. Так же пластиковые волокна могут использоваться в автомобилях, благодаря компактным габаритам и малому весу.

Заключение

У каждого волокна есть свои особенности и сфера использования. Пластиковые волокна POF ограничены в расстоянии и скорости передачи, но просты в изготовлении и использовании. Многомодовые волокна MMF обладают низкой стоимостью, идеальны для дата-центров и серверных. Одномодовые волокна SMF наиболее универсальны в телекоммуникационных сетях, подходят для организации соединений на любые расстояния от нескольких метров до сотен километров.