Многомодовые оптические волокна. Многомодовое оптоволокно
Оптоволоконные кабели имеют схожую структуру, но могут отличаться по различным характеристикам. По количеству модулей, волокон, толщине, материалу внешней оболочки и т.д. Оптические кабели бывают одномодовыми и многомодовыми. Кабель оптический одномодовый предназначен для передачи одного луча света, а многомодовый – нескольких лучей. Как правило, кабель оптический одномодовый предназначен для использования в телекоммуникационных сетях, для создания магистралей по передачи данных на большие расстояния.В тоже время, многомодовые используются в сетях средней и малой дальности. имеет отличающуюся от многомодового структуру. В последнее время говорится о том, что многомодовые оптоволоконные кабели имеют преимущество перед одномодовыми, это по сути дела так, потому что они более чем в стократ превосходят одномодовые по производительности. Но, не смотря на все это, на дальние расстояния все же предпочтительней использовать одномодовые оптические кабели, потому что они давно и хорошо зарекомендовали себя в этой области.
Назначение кабеля оптического одномодового
Современный кабель оптический одномодовый является разновидностью оптоволоконного кабеля и предназначается для передачи одного пучка света (посредством многомодового передаются несколько пучков одновременно) при использовании в составе телекоммуникационных сетей и при организации магистралей, передающих данные на значительные расстояния.Существующие ныне оптоволоконные кабели при схожести структуры различаются своими характеристиками, зависящими от количества модулей, толщины, числа волокон, материала внешней оболочки и проч. Кабель оптический одномодовый, в отличие от многомодового, при передаче сигнала по определению лишен межмодовой дисперсии, возникающей в результате разновременности достижения противоположного конца кабеля вводимыми в волокно одновременно разными модами. Одной из важных характеристик кабеля является также СКС-диаметр его сердцевины, для одномодового это, как правило, 8-10 мкм.
Путем практических исследований различных оптических кабелей специалисты определили, что при расстояниях, превышающих между объектами 500 метров, стоит отдать предпочтение одномодовым, обеспечивающим высокую и надежную скорость передачи на большой дальности при строительстве крупномасштабных сетей. Многомодовый кабель показывал результаты пониже.
Особенности кабеля оптического одномодового
Свое наименование кабель оптический одномодовый получил из-за того, что в процессе работы в оптоволокне образуется небольшое число мод, поэтому принято условно считать, что свет при этом распространяется по единственной траектории, следовательно, такое волокно и назвали одномодовым. А так, современное оптоволокно может нести в себе более двух сотен параллельных волокон, при этом, как правило, имеется возможность комбинировать сочетания в одном кабеле волокон, относящихся к разным типам.Конструктивно оптоволоконный кабель состоит из единственной или же нескольких оптических волокон, являющихся, по сути, стеклянными нитями. Соответственно, передача информации производится переносом света внутри оптоволокна. Используется при этом процесс, называемый полным внутренним отражением. Принцип работы базируется на том, что световые волны отражаются от границы, разделяющей две прозрачные среды с различными показателями преломления.
Чаще всего кабель оптический одномодовый применяется для организации волоконно-оптических систем связи, прокладываемым по тоннелям, коллекторам и внутри зданий и помещений. Наружная оболочка его выполняется, как правило, из материалов, не поддерживающих и не распространяющих горение.
Преимущества кабеля оптического одномодового
Современный кабель оптический одномодовый характеризуется существенными преимуществами перед используемыми ранее медными проводниками. К ним безусловно относятся:- значительно большая полоса пропускания,
- повышенная степень помехозащищенности (в частности, в области невосприимчивости к электромагнитным помехам и наводкам),
- относительно малые объем и вес,
- световой сигнал с малым затуханием,
- гальваническая развязка вновь подключаемого оборудования,
- надежная защита от несанкционированных подключений, что дополнительно защищает передаваемую информацию и проч.
Несмотря на огромное разнообразие оптоволоконных кабелей, волокна в них практически одинаковые. Более того, производителей самих волокон намного меньше (наиболее известны Corning, Lucent и Fujikura), чем производителей кабелей.
По типу конструкции, вернее по размеру серцевины, оптические волокна делятся на одномодовые (ОМ) и многомодовые (ММ). Строго говоря, употреблять эти понятия следует относительно конкретной используемой длины волны, но после рассмотрения Рисунка 8.2, становится понятно, что на сегодняшнем этапе развития технологий можно это не учитывать.
Рис. 8.3. Одномодовые и многомодовые оптические волокна
В случае многомодового волокна диаметр сердечника (обычно 50 или 62,5 мкм) почти на два порядка больше, чем длина световой волны. Это означает, что свет может распространяться в волокне по нескольким независимым путям (модам). При этом очевидно, что разные моды имеют разную длину, и сигнал на приемнике будет заметно "размазан" по времени.
Из-за этого хрестоматийный тип ступенчатых волокон (вариант 1), с постоянным коэффициентом преломления (постоянной плотностью) по всему сечению сердечника, уже давно не используется из-за большой модовой дисперсии.
На смену ему пришло градиентное волокно (вариант 2), которое имеет неравномерную плотность материала сердечника. На рисунке хорошо видно, что длины пути лучей сильно сокращены за счет сглаживания. Хотя лучи, проходящие дальше от оси световода, преодолевают большие расстояния, они при этом имеют большую скорость распространения. Происходит это из-за того, что плотность материала от центра к внешнему радиусу уменьшается по параболическому закону. А световая волна распространяется тем быстрее, чем меньше плотность среды.
В результате более длинные траектории компенсируются большей скоростью. При удачном подборе параметров, можно свести к минимуму разницу во времени распространения. Соответственно, межмодовая дисперсия градиентного волокна будет намного меньше, чем у волокна с постоянной плотностью сердечника.
Однако, как бы не были сбалансированы градиентные многомодовые волокна, полностью устранить эту проблему можно только при использовании волокон, имеющих достаточно малый диаметр сердечника. В которых, при соответствующей длине волны, будет распространяться один единственный луч.
Реально распространено волокно с диаметром сердечника 8 микрон, что достаточно близко к обычно используемой длине волны 1,3 мкм. Межчастотная дисперсия при неидеальном источнике излучения остается, но ее влияние на передачу сигнала в сотни раз меньше, чем межмодовой или материальной. Соответственно, и пропускная способность одномодового кабеля намного больше, чем многомодового.
Как это часто бывает, у более производительного типа волокна есть свои недостатки. В первую очередь, конечно, это более высокая стоимость, обусловленная стоимостью комплектующих, и требованиями к качеству монтажа.
Таб. 8.1. Сравнение одномодовых и многомодовых технологий.
| Параметры | Одномодовые | Многомодовые |
| Используемые длины волн | 1,3 и 1,5 мкм | 0,85 мкм, реже 1,3 мкм |
| Затухание, дБ/км. | 0,4 - 0,5 | 1,0 - 3,0 |
| Тип передатчика | лазер, реже светодиод | светодиод |
| Толщина сердечника. | 8 мкм | 50 или 62,5 мкм |
| Стоимость волокон и кабелей. | Около 70% от многомодового | - |
| Средняя стоимость конвертера в витую пару Fast Ethernet. | $300 | $100 |
| Дальность передачи Fast Ethernet. | около 20 км | до 2 км |
| Дальность передачи специально разработанных устройств Fast Ethernet. | более 100 км. | до 5 км |
| Возможная скорость передачи. | 10 Гб, и более. | до 1 Гб. на ограниченной длине |
| Область применения. | телекоммуникации | локальные сети |
Виды и типы разъемов
Рассмотрим разъемные соединения. Если предел дальности действия высокоскоростных электропроводных линий на основе витой пары зависит от разъемов, то в оптоволоконных системах вносимые ими дополнительные потери достаточно малы. Затухание в них оставляет около 0,2-0,3 дБ (или несколько процентов).
Поэтому вполне возможно создавать сети сложной топологии без использования активного оборудования, коммутируя волокна на обычных разъемах. Особенно заметны преимущества такого подхода на небольших по протяженности, но разветвленных сетях "последней мили". Очень удобно отводить по одной паре волокон на каждый дом от общей магистрали, соединяя остальные волокна в коммутационной коробке "на проход".
Что основное в разъемном соединении? Конечно, сам разъем. Основные его функции заключаются в фиксация волокна в центрирующей системе (соединителе), и защите волокна от механических и климатических воздействий.
Основные требования к разъемам следующие:
· внесение минимального затухания и обратного отражения сигнала;
· минимальные габариты и масса при высокой прочности;
· долговременная работа без ухудшения параметров;
· простота установки на кабель (волокно);
· простота подключения и отключения.
На сегодня известно несколько десятков типов разъемов, и нет того единого, на который было бы стратегически сориентировано развитие отрасли в целом. Но основная идея все вариантов конструкций проста и достаточно очевидна. Необходимо точно совместить оси волокон, и плотно прижать их торцы друг к другу (создать контакт).
Рис. 8.6. Принцип действия оптоволоконного разъема контактного типа
Основная масса разъемов выпускается по симметричной схеме, когда для соединения разъемов используется специальный элемент - coupler (соединитель). Получается, что сначала волокно закрепляется и центрируется в наконечнике разъема, а затем уже сами наконечники центрируются в соединителе.
Таким образом, можно видеть, что на сигнал влияют следующие факторы:
· Внутренние потери - вызванные допусками на геометрические размеры световодов. Это эксцентриситет и эллиптичность сердцевины, разность диаметров (особенно при соединении волокон разного типа);
· Внешние потери, которые зависят от качества изготовления разъемов. Возникают из-за радиального, углового смещения наконечников, непараллельности торцевых поверхностей волокон, воздушного промежутка между ними (френелевские потери);
· Обратное отражение. Возникает из-за наличия воздушного промежутка (френелевское отражение светового потока в обратном направлении на границе стекло-воздух-стекло). Согласно стандарта TIA/EIA-568А, нормируется коэффициент обратного отражения (отношение мощности отраженного светового потока к мощности падающего). Он должен быть не хуже -26 дБ для одномодовых разъемов, и не хуже -20 дБ для многомодовых;
· Загрязнение, которое, в свою очередь, может вызвать как внешние потери, так и обратное отражение.
Из одной удаленной точки до другой, все чаще вместо традиционного медного провода заказчику подрядными организациями предлагается прокладка Об этой интересной технологии мы сегодня и поговорим.
Работают на принципе передачи световой волны по специальному каналу, выполненному из особо чистого, кварцевого стекла. Электрические импульсы электронного оборудования поступают на который генерирует поток световых вспышек и передает их в кабель. На другом конце приемник получает световой поток и транскодирует его обратно в Поскольку весь процесс контролируется электроникой и представляет из себя цифровые преобразования, искажения минимальны.
Чтобы построить такие ВОЛС, используют специальный материал - одномодовое волокно и многомодовое.
Оптические линии получили такое широкое распространение не только благодаря отсутствию помех при передаче сигнала. В числе неоспоримых достоинств этой технологии широкая полоса, очень слабое затухание сигнала, непревзойденная стойкость к любым помехам электромагнитной природы, огромная дальность передачи, составляющая многие десятки километров. Весомым плюсом является и долгий срок службы коммуникаций, проложенных с помощью ВОЛС, составляющий минимум 25 лет.
Виды оптоволокна
При монтаже линий связи с применением ВОЛС выбирают либо многомодовое, либо одномодовое волокно.
Из чего состоит такой кабель? Ядром оптоволокна является кварцевое, сверхчистое стекло, которое и пропускает через себя световой поток. А распыление его не происходит, потому что коэффициент преломления оболочки ниже, чем у ядра, следовательно, световой луч полностью отражается от стенок внутри волокна.
Многомодовое оптоволокно хорошо тем, что в него можно запустить сразу несколько сотен световых мод, которые вводятся под разными углами. Каждая такая мода имеет свою собственную траекторию и, как следствие, уникальное время распространения.
Главный недостаток такого типа волокон - модовая дисперсия, которая сужает и ограничивает максимальную длину линии. Передатчики для многомодовых линий связи обычно имеют предельную дальность около 5 километров.
Проблему снижения модовой дисперсии решает кабель с градиентным профилем преломления сердцевины. В таком оптоволокне, в отличие от стандартных вариантов, параметры преломления уменьшаются от центра ядра к оболочке, что дает значительное улучшение параметров передаваемого сигнала.
Одномодовое волокно спроектировано, исходя из задачи пропуска через всего одной моды (основной). Этот подход дает много преимуществ. Некоторые характеристики у кабеля, выполненного по одномодовой технологии, на порядок лучше, чем у того, что изготовлен по многомодовой. Именно это является решающим фактором, который влияет на выбор инженеров в пользу первой при прокладке новых ВОЛС. Ведь одномодовое волокно дает затухание сигнала на уровне 0,25db на километр, величина дисперсии в нем очень мала, а широкая полоса пропускания обеспечивает четкую и быструю передачу больших объемов данных без искажений.
Но есть в этой бочке меда и ложка дегтя. Этот тип намного дороже, чем многомодовые волокна. Так как размер световодного ядра в одномодовом кабеле очень мал, ввод излучения в такой кабель является непростой задачей и требует очень тщательного контроля при сращивании. Концевые разъемы для этих линий также стоят намного дороже, чем концевики многомодовых линий. К тому же у последних благодаря простоте ввода светового пучка в широкое ядро очень простые и дешевые излучатели, которые к тому же выпускаются огромным количеством конкурирующих компаний.
Перевод Анны Мотуш
Определение: волокна, поддерживающие более чем одну моду для определенного направления поляризации
Многомодовые волокна - это оптические волокна, поддерживающие несколько поперечных мод для данной оптической частоты и поляризации. Число мод определяется длиной волны и показателем преломления материала. Многомодовые волокна подразделяются на волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и градиентные.
Для волокон определены значения радиуса сердцевины и числовой апертуры, позволяющие определить V-параметр. Для больших значений V-параметра количество мод пропорционально V 2 . В частности, для волокон с большим диаметром сердцевины (правая часть рис 1), количество мод может быть очень большим. Такие волокна могут доставлять свет с плохим качеством пучка (например, генерируемый мощными диодами), но для сохранения качественного луча от источника света с высокой яркостью будет лучше использовать волокно с меньшей сердцевиной и с умеренной числовой апертурой, хотя эффективное введение излучения в волокно может быть более сложным.
По сравнению со стандартным одномодовым волокном, многомодовое волокно обычно имеет большую сердцевину, а также высокую числовую апертуру, например, 0.2-0.3. Последнее позволяет работать при изгибании волокна, но также приводит к более интенсивному рассеиванию, которое определяется нарушением геометрической формы оптического волокна. Следствием этих нарушений является то, что часть лучей покидает оптоволокно. Интенсивность рассеивания зависит не только от качества материала, из которого изготавливается сердцевина, но и от качества оболочки, так как часть оптического сигнала распространяется и в ней. Профиль показателя преломления в основном прямоугольный, но иногда встречается и параболический. (См. ниже).
Многомодовое волокно состоит из сердцевины и оболочки. В распространенных типах волоконно-оптических линий связи (см. ниже) на основе многомодовых волокон 50/125 и 62,5/125, диаметр сердцевины равен 50 и 62.5 микрон соответственно и диаметр оболочки 125 микрон. Такие волокна поддерживают сотни мод.
Ввести свет в многомодовое волокно достаточно просто, т.к. требования к соблюдению точности настройки угла и положения луча не очень строгие. С другой стороны, пространственная когерентность на выходе многомодовых волокон невелика, и распределение интенсивности излучения на выходе сложно контролировать по причинам, изложенным ниже.
На рисунке 2 приведены профили электрического поля в модах с шагом преломления волокна, рассчитанные для конкретной длины волны. Это основная мода (LP 01) с распределением интенсивности, близким к гауссовскому, и несколько мод более высокого порядка с более сложными пространственными профилями. Каждая мода имеет различную постоянную распространения. Любое распределение поля можно рассматривать как суперпозицию мод.
Суммарное электрическое поле, распространенное в многомодовом волокне - суперпозиция нескольких мод. Интенсивность зависит не только от оптической мощности во всех модах, но также и от относительной фазы, тут может возникать максимум или минимум за счет интерференции различных мод.
Оба параметра - мощность и фаза, определяются начальными условиями, а относительные фазы изменяются непрерывно вдоль волокна из-за зависимости от констант распространения. Таким образом, сложная картина интенсивности во времени постоянно меняется в пределах длины распространения значительно меньше 1 мм.
Рисунок 3 демонстрирует анимированный пример, где представлены распределения интенсивности, происходящие с интервалом в 2 мкм. Эта интерференционная картина сильно зависит от каких-либо изменений при изгибе или растяжении волокон, а также от температуры.
Обратите внимание, что для света с широкой оптической пропускной способностью (например, для белого света) таких сложных распределений интенсивности не наблюдается потому, что график интенсивности различен для каждой длины волны, так что вклады от различных длин волн усредняются. Чем длиннее волокно, тем ниже оптический диапазон частот, необходимый для этого усреднения.
Одномодовый и многомодовый оптический кабель
Тонкая прозрачная жила, переносящая в себе свет, определена оптоволокном . Основное предназначение оптического кабеля - это основа линий, способных передавать пакет цифровых данных на сверх быстрой скорости. Оптика по своей структуре немногочисленна: ядро, обшивка внутренняя и обшивка внешняя, защищающая оптоволокно от внешних негативных факторов. Каждый из этих элементов играет свою роль в функционировании оптоволокна.
На сегодняшний день известны виды оптоволокна: одномодовое и многомодовое .
Одномодовый оптический кабель
В одномодовом оптическом кабеле размер ядра составляет +/-9 мм при стандартном размере обшивки 125 мм. Выполнять своё функциональное назначение может только одна жила, что характерно для этого вида оптоволокна. При прохождении лучей по оптоволокну траектория их движения является неизменной и одновременной, поэтому структура подаваемого сигнала не может искажаться. Цифровые сигналы могут передаваться на многокилометровые расстояния без опасности возникновения лучевого рассеивания. Для работы с моножильной оптикой используется лазер, который использует свет с определенным волновым размером. Хорошие общие характеристики дают основания для использования оптоволокна этого вида повсеместно, однако его большая стоимость и относительная недолговечность снижают критерии оценки.
В свою очередь, одномодовое оптоволокно может быть :
- со смещенным лучевым рассеиванием
.
Оптоволокно этого вида отличается меньшим диаметром сердцевины, что позволяет использовать его в рабочем диапазоне 1,5 мкм на широкополостных линиях с применением оптических усилителей. - со смещенной минимальной длиной волны
,
при которой оптоволокно может поддерживать один распространяемый сигнал. Такое оптоволокно применяет большой показатель мощности при передаче данных на длительные расстояния, и было разработано для применения его в морских линиях. - с ненулевым смещенным лучевым рассеиванием
.
При использовании оптоволокна этого вида нелинейные эффекты не смогут влиять на качество подаваемого сигнала и его структуру, что представляет возможным применение этого оптоволокна в системах DWDM технологии.
Многомодовый оптический кабель
В многомодовым оптическом кабеле (см.раздел) лучи света существенно разбрасываются, и при этом происходит значительное искажение структуры передаваемого сигнала. Ядро имеет показатель +/- 60 мкм, обшивка стандартна - 125 мкм. Применение обычного светодиода для функционирования мультижилы (в отличие от лазера, который используется в моножильном оптоволокне) обеспечивает увеличение эксплуатационного срока оптоволокна и положительно сказывается на его стоимости. В то же время показатель затухания в мультижиле увеличен в сравнении с моножилой и колеблется в пределах 15 дБ/км.
Многомодовое оптоволокно различается на ступенчатое и градиентное .
Волоконно-оптический кабель ступенчатый имеет большое лучевое рассеивание из-за неравномерных скачкообразных слоев плотности кварцевого ядра, поэтому его применение ограничено короткими линиями связи. Оптоволокно градиентное отличается уменьшенным лучевым рассеиванием, благодаря плавному распределению показателя преломления. Диаметр ядра градиентного мультижильного оптоволокна составляет +/- 55 мкм, обшивка имеет стандартное значение (125 мкм).
Прочитано 9773 раз Последнее изменение Воскресенье, 21 декабря 2014 02:00