Кабель волоконно-оптический. Многомодовый и одномодовый оптоволоконный кабель

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

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

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

• 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.

Удивить кого-то в наше время оптоволокном у себя в доме, на работе или даже в квартире не так уж легко. Технологии передачи данных через волоконно-оптическую линию связи распространяется с огромной скоростью. Постоянно ведется монтаж, как и новых оптических кабелей, так и модернизация по замене существующих медных кабелей (устаревшая технология DSL), на оптические.

Часто приходится слышать вопросы на тему оптоволоконных линий связи. В этой статье хочу ответить на один из часто задаваемых вопросов о разнице между одномодовыми и многомодовыми оптическими кабелями простыми словами, понятными конечному пользователю.

Так что же такое мода и с чем ее едят? Модами называются типы электромагнитных колебаний, которые распространяются в оптоволокне. Каждая мода имеют свою фазовую и групповую скорость. Под групповой скоростью понимается скорость переноса энергии, а под фазовой скоростью - скорость перемещения фазы волны. Если будем брать пример обычных электромагнитных волн, то там и фазовая и групповая скорости равны скорости света, в оптоволоконном же кабеле скорости разнятся и зависят от частоты колебаний волн, от диаметра волокна, от материалов из которых произведен кабель. Именно из-за этих совокупностей свойств кабеля возникает рассеивание (модовая дисперсия).

Исходя из определения моды, многомодовое (MultiMode MM) оптоволокно позволяет подавать несколько световых сигналов. Одномодовое (SingleMode MM)- позволяет пропустить через себя лишь один сигнал.

Казалось бы многомодовое волокно имеет преимущество перед одномодовым, но это только на первый взгляд. У многомода есть важный недостаток высокая модовая дисперсия.

Диаметр сердечника волокна многомодового кабеля составляет 50 мкм и более. Такая ширина как раз и позволяет подавать несколько мод в одно волокно, но так же и увеличивает вероятность отражения света от внешней поверхности сердечника, что и вызывает затухание сигнала. Соответственно для подачи сигнала на дальние расстояния использование подобного кабеля возможно, только если увеличивать количество ретрансляторов, что значительно удорожает проект. Скорость передачи данных составляет 2,5 Гб/с

У одномодового кабеля, диаметр сердечника составляет 10 мкм и меньше. В волокне с таким диаметром вероятность дисперсии значительно снижается, что позволяет передавать данные на большие расстояния. Одномодовое оптоволокно позволяет передавать данные со скоростью 10 Гб/с. Но в то же время одномодовый кабель и коммутирующее оборудование к нему дороже. Так же сварные стыки у одномода более чувствительны к качеству сварки.

Где и какое волокно лучше применять? Чаще всего многомодовое оптоволокно используется для организации небольших размеров в рамках одного здания или прилегающих строений (около 500 метров). с одномодовыми волокнами используют для подключения удаленных зданий, например для организации системы видеонаблюдения в рамках района, города или даже магистрали (1000м и более).

Оптические волокно стандарт де-факто при построении магистральных сетей связи. Протяженность волоконно-оптических линий связи в России у крупных операторов связи достигает > 50 тыс.км.
Благодаря волокну мы имеем все те преимущества в связи, которых не было раньше.
Вот и попробуем рассмотреть виновника торжества - оптическое волокно.

В статье попробую написать просто о оптических волокнах, без математических выкладок и с простыми человеческими объяснениями.

Статья чисто ознакомительная, т.е. не содержит уникальных знаний, всё что будет описано может быть найдено в куче книг, однако, это не копипаст, а выжимка из «кучи» информации только лишь сути.

Классификация

Дадим пояснение на «бытовом» уровне что есть одномод и многомод.
Представим гипотетическую систему передачи с волокном воткнутым в нее.
Нам надо передать двоичную информацию. Импульсы электричества в волокне не распространяются, ибо диэлектрик, поэтому мы будим передавать энергию света.
Для этого нам нужен источник световой энергии. Это могут быть светодиоды и лазеры.
Теперь мы знаем что мы используем в качестве передатчика - это свет.

Подумаем как свет вводится в волокно:
1) Световое излучение имеет свой спектр, поэтому если сердцевина волокна широкая (это в многомодовом волокне), то больше спектральных составляющих света попадет в сердцевину.
Например мы передаем свет на длине волны 1300нм (к примеру), сердцевина многомода широкая, то и путей распространения у волн больше. Каждый такой путь и есть моды

2) Если же сердцевина маленькая (одномодовое волокно), то путей распространения волн соотвественно уменьшается. И так как дополнительных мод гораздо меньше, то и не будет и модовой дисперсии (о ней ниже).

Это основное отличие многомодового и одномодового волокон.
Спасибо enjoint, tegger, hazanko за замечания.

Многомодовые в свою очередь делятся на волокна со ступенчатым показателем преломления (step index multi mode fiber) и с градиентным (graded index m/mode fiber).

Одномодовые делятся на ступенчатые, стандартные (standard fiber), со смещенной дисперсией (dispersion-shifted) и ненулевой смещенной дисперсией (non-zero dispersion-shifted)

Конструкция оптического волокна

Так, например, запись 50/125 говорит о том, что диаметр сердцевины равен 50 мкм, оболочки - 125мкм.

Диаметры сердцевины равные 50мкм и 62,5мкм являются признаками многомодовых оптических волокон, а 8-10мкм, соответственно, одномодовым.
Оболочка же, как правило, всегда имеет диаметр размером 125мкм.

Как видно диаметр сердцевины одномодового волокна имеет намного меньший размер, нежели диаметр многомодового. Меньший диаметр сердцевины позволяет уменьшить модовую дисперсию (о которой, возможно, будет написано в отдельной статье, а также вопросы распространения света в волокне), а соответственно увеличить дальность передачи. Однако, тогда бы одномодовые волокна вытеснили многомоды, благодаря более лучшим «транспортным» характеристикам, если бы не необходимость использовать дорогие лазеры с узким спектром излучения. В многомодовых волокнах используются светодиоды с более размазанным спектром.

Поэтому для недорогих оптических решений, таких как локальные сети интернет-провайдеров применения многомода случается.

Профиль показателя преломления

Вся пляска с бубном у волокна с целью увеличения скорости передачи была вокруг профиля показателя преломления. Так как основным сдерживающим фактором увеличения скорости является модовая дисперсия.
Кратко суть в следующем:
когда излучение лазера поступает в сердцевину волокна, то сигнал передается по ней в виде отдельных мод (грубо: лучей света. А на самом деле разные спектральные составляющие вводимого сигнала)
Причем входят «лучи» под разными углами, поэтому время распространения энергии отдельно взятых мод различается. Это проиллюстрировано на рисунке ниже.

Здесь отображены 3 профиля преломления:
ступенчатый и градиентный для многомодового волокна и ступенчатый для одномодового.
Видно, что в многомодовых волокнах моды света распространяются по различным путям, но, из-за постоянного коэффициента преломления сердцевины с ОДИНАКОВОЙ скоростью. Те моды, которые вынуждены идти по ломанной линии приходят позже, чем моды, идущие по прямой. Поэтому исходный сигнал растягивается во времени.
Другое дело с градиентным профилем, те моды которые раньше шли по центру - замедляются, а моды, которые шли по ломанному пути, наоборот, ускоряются. Это произошло оттого, что коэффициент преломления сердечника теперь непостоянен. Он увеличивается параболически от краев к центру.
Это позволяет увеличить скорость передачи и получить распознаваемый сигнал на приеме.

Области применения оптических волокон

К этому можно добавить, что магистральные кабели теперь все почти идут с ненулевой смещенной дисперсий, что позволяет использовать на этих кабелях спектральное волновое уплотнение (

Типы оптических волокон

Существует два типа оптических волокон: многомодовые (ММ ) и одномодовые (SM ), отличающиеся диаметрами световедущей сердцевины. Многомодовое волокно , в свою очередь, бывает двух типов: со ступенчатым и градиентным профилями показателя преломления по его сечению.

Многомодовое оптическое волокно со ступенчатым показателем преломления

В ступенчатом оптоволокне могут возбуждаться и распространяться до тысячи мод с различным распределением по сечению и длине оптоволокна. Моды имеют различные оптические пути и, следовательно, различные времена распространения по оптоволокну, что приводит к уширению импульса света по мере его прохождения по оптоволокну. Это явление называется межмодовой дисперсией и оно непосредственно влияет на скорость передачи информации по оптоволокну. Область применения ступенчатых оптоволокон короткие (до 1 км) линии связи со скоростями передачи информации до 100 Мбайт/с, рабочая длина волны излучения, как правило, 0,85 мкм.

Многомодовое оптическое волокно с градиентным показателем преломления

Отличается от ступенчатого тем, что показатель преломления изменяется в нём плавно от середины к краю. В результате моды идут плавно, межмодовая дисперсия меньше.

Градиентное оптоволокно в соответствии со стандартами имеет диаметр сердцевины 50 мкм и 62,5 мкм, диаметр оболочки 125 мкм. Оно применяется во внутриобъектовых линиях длиной до 5 км, со скоростями передачи до 100 Мбайт/c на длинах волн 0,85 мкм и 1,35 мкм.

Одномодовое оптическое волокно

Стандартное одномодовое оптическое волокно имеет диаметр сердцевины 9 мкм и диаметр оболочки 125 мкм

В этом оптоволокне существует и распространяется только одна мода (точнее две вырожденные моды с ортогональными поляризациями), поэтому в нем отсутствует межмодовая дисперсия, что позволяет передавать сигналы на расстояние до 50 км со скоростью до 2,5 Гбит/с и выше без регенерации. Рабочие длины волн λ1 = 1,31 мкм и λ2 = 1,55 мкм.

Окна прозрачности оптоволокна.

Говоря об окнах прозрачности оптического волокна, обычно рисуют такую картинку.

Окна прозрачности оптоволокна

В настоящее время оптоволокно с такой характеристикой уже считается устаревшим. Достаточно давно освоен выпуск оптоволокна типа AllWave ZWP (zero water peak, с нулевым пиком воды), в котором устранены гидроксильные ионы в составе кварцевого стекла. Такое стекло имеет уже не окно, а прямо таки проём в диапазоне от 1300 до 1600 нм.

Все окна прозрачности лежат в инфракрасном диапазоне, то есть свет, передающийся по ВОЛС, не виден глазу. Стоит заметить, что в стандартное оптоволокно можно ввести и видимое глазом излучение. Для этого применяют либо небольшие блоки, присутствующие в некоторых рефлектометрах, либо даже слегка переделанную китайскую лазерную указку. С помощью таких приспособлений можно находить переломы в шнурах. Там, где оптоволокно сломано, будет видно яркое свечение. Такой свет быстро затухает в волокне, так что использовать его можно только на коротких расстояниях (не более 1 км).

Гибкость оптического волокна

Фотография, надеюсь, успокоит тех, кто привык видеть стекло бьющимся и хрупким.

Оптоволокно. Гибкость оптоволокна

Здесь изображено стандартное одномодовое волокно. То самое, 125 мкм кварцевого стекла, использующееся повсеместно. Из-за лакового покрытия оптоволокно способно выдерживать изгибы радиусом в 5 мм (хорошо видно на рисунке). Свет, а значит и сигнал через такой изгиб, увы, уже не проходит.

Информация о расшифровке маркировки оптоволоконных кабелей размещавшееся в этом месте размещена на страницах:

Оптическое волокно отличается хорошими эксплуатационными свойствами и предназначено для скоростной передачи цифровых данных. Любой кабель состоит из светонесущего элемента, окружённого демпферной оболочкой, задача которой – формировать границу сред и не давать потоку выходить за пределы кабеля. Оба элемента изготавливаются на основе кварцевого стекла: при этом сердцевина имеет более высокий показатель преломления. За счёт этого эффекта гарантируется качество прохождения сигнала.

Одномодовый и многомодовый кабель производятся из сходного по составу сырья, но обладают существенными различиями в технических свойствах. Демпфер у обоих вариантов одинаковый – 125 мкм.

А вот ядра у них разные: 9 мкм – у одномодовых, 50 либо 62,5 мкм – у многомодовых.

Понимание разновидностей волокна помогает безошибочно подобрать вариант, который будет без лишних затрат обеспечивать адекватную пропускную способность канала.

Особенности одномодового кабеля

Здесь прохождение лучей считается стабильным, траектория их остаётся неизменной, плюс в том, что сигнал априори не подвержен сильным искажениям. В таком волокне реализуется ступенчатый профиль преломления. Для передачи используется специально настроенный источник лазера, данные передаются на многокилометровые расстояния без каких-либо перебоев: рассеивание как таковое отсутствует.
Среди отрицательных моментов: такое волокно относительно недолговечно по сравнению со своим конкурентом, дорого в обслуживании – требуется мощное оборудование, требующее настройки.

Одномодовый кабель – всегда в приоритете, если речь идёт о передаче на скоростях более 10 Гбит/с.

Основные разновидности

1. Со смещением лучевой дисперсии;
2. Со смещённым показателем минимальной длины волны;
3. С ненулевой смещённой лучевой дисперсией.

Особенности многомодового кабеля

В качестве оконечного оборудования применяется обычный светодиод, который не требует серьёзного обслуживания и контроля, в итоге снижается износ волокна: срок службы ощутимо дольше.

Многомодовый кабель дешевле при обслуживании, хотя сам по себе несколько дороже, обеспечивает высокое качество передачи на скоростях до 10 Гбит/с при условии, что линия не превышает 550 метров по длине.

О структуре оптического волокна можно узнать из видео:

При соединении в районе 1 Гбит/с волокно типа ОМ4 пригодно для длинных участков – до 1,1 км . Мультижила имеет значительный показатель затухания: в районе 15 дБ/км .

Основные разновидности оптического волокна

Ступенчатое волокно

Изготавливается по более простой технологии. За счёт грубой обработки разброса не может стабилизировать дисперсию на сверхскоростях, поэтому имеет ограниченную сферу применения.

Градиентное волокно

Отличается низким лучевым рассеиванием, показатель преломления распределяется плавно.

Интересное видео о волоконно-оптическом кабеле смотрите в видео ниже:

Применение одномодового и многомодового кабеля

Для ряда отраслей существуют традиции и стандарты, предписывающие использовать тот или иной тип кабеля.

Одномодовый кабель всегда применяется в трансокеанских, морских, магистральных линиях связи со значительной протяжённостью.

В провайдерских сетях для обеспечения доступа в интернет. В системах обработки, связанных с дата-центрами.

Многомодовый кабель находит применение в сетях передачи данных внутри зданий и между зданиями. В системах FTTD.

Любой тип ВОЛС требует бережного отношения и регулярной сервисной диагностики. Для получения полноценных отчётов используются высокоточные рефлектометры, способные зафиксировать даже незначительные потери сигнала.