Оптоволокно (оптическое волокно) - это тонкая стеклянная (иногда пластиковая) нить предназначенная для передачи светового потока на большие расстояния.

В настоящее время оптоволокно широко используется как в промышленном так и в бытовом масштабе. В XXI-м веке оптоволокно и технологии работы с ним сильно упали в цене благодаря новым достижениям в техническом прогрессе и что ранее считалось слишком дорогим и инновационным, сегодня уже считается повседневным.

Каким же бывает оптоволокно:

1. Одномодовым;
2. Многомодовым;

В чем же отличие между этими двумя типами оптоволокна?

Итак, в любом оптоволокне есть центральная жила и оболочка:

Одномодовое оптоволокно

В одномодовом оптоволокне центральная жила составляет 9 мкм, а оболочка волокна составляет 125 мкм (отсюда маркировка одномодового волокна 9/125). Все световые потоки (моды) благодаря малому диаметру центральной жилы проходят параллельно или по центральной оси жилы. Диапазон длин волн использующихся в одномодовом оптоволокне составляет от 1310 до 1550 нм и используют сфокусированный узконаправленный лазерный луч.

Многомодовое оптоволокно

В многомодовом оптоволокне центральная жила составляет 50 мкм или 62,5 мкм, а оболочка так же 125 мкм. В связи с этим по многомодовому оптоволокну передается множество световых потоков, которые имеют различные траектории и постоянно отражаются от «краёв» центральной жилы. Длины волн использующихся в многомодовом оптоволокне составляет от 850 до 1310 нм и используют рассеянные лучи.

Отличия характеристик одномодового и многомодового оптоволокна

Немаловажную роль имеют затухания сигналов в одномодовом и многомодовом оптоволокне. Затухания в одномодовом волокне за счет узконаправленного луча в несколько раз ниже чем в многомодовом, что еще раз подчеркивает преимущество одномодового оптоволокна.

Наконец одним из главных критериев - это пропускная способность оптоволокна. И снова здесь преимущество имеет одномодовое оптоволокно перед многомодовым. Пропускная способность одномода в разы (если не сказать «на порядок») выше чем многомода.

Всегда было принято считать ВОЛС построенные на многомодовом оптоволокне намного дешевле чем на одномодовом. Это было обусловлено тем, что в многомоде в качестве источника света использовались светодиоды, а не лазеры. Однако в последние годы как в одномоде так и в многомоде стали применяться лазеры, что сказалось на уравнивании цен на оборудование для различного типа оптоволокна.

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.

Материал предоставлен

Оптоволоконный кабель (он же волоконно-оптический кабель ) – это принципиально другой тип кабеля по сравнению с двумя типами электрического или медного кабеля. Информация из него передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент - это прозрачное стекловолокно, по которому светло проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.

Рис. 1. Оптическое волокно. Структура

Структура оптоволоконного кабеля очень простая и похожая на структуру коаксиального электрического кабеля (рис. 1). Только вместо центрального медного проведения здесь используется тонкое (диаметром около 1 - 10 полутемных) стекловолокно (3), а вместо внутренней изоляции - стеклянная или пластиковая оболочка (2), что не позволяет свету выходить за пределы стекловолокна. В этом случае речь идет о режиме так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами переламывания (у стеклянной оболочки коэффициент переламывания значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, потому что экранирование от внешних электромагнитных препятствий здесь не нужно. Однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может совмещать под одною оболочкой несколько оптоволоконных кабелей).

Оптоволоконный кабель имеет исключительные характеристики по защищенности и секретности переданной информации. Никакие внешние электромагнитные препятствия в принципе не способны обезобразить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типа кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, потому что при этом нарушается целостность кабеля. Теоретически возможна полоса пропускания такого кабеля достигает величины 10 12 Гц, то есть 1000 ГГц, что несравненно выше, чем у электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и в настоящий момент приблизительно равняется стоимости тонкого коаксиального кабеля.

Типичная величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, которые используются в локальных сетях, составляет от 5 до 20 дБ/км, что приблизительно отвечает показателям электрических кабелей на низких частотах. Но в случае оптоволоконного кабеля при росте частоты переданного сигнала затухания увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущество перед электрическим кабелем неопровержимые, у него просто нет конкурентов.

Недостатки оптоволоконного кабеля

Самый главный из них - высокая сложность монтажа (при установке оптоволоконного кабеля в разнимании необходима микронная точность, от точности стекловолокна и степени его полирования сильно зависит затухание в разнимании). Для установки разниманий применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, который имеет такой же коэффициент переламывания света, что и стекловолокно. Во всяком случае для этого нужна высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому чаще всего оптоволоконный кабель продается в виде предварительно нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разнимания нужного типа. Стоит помнить, что некачественная установка разнимания резко снижает допустимую длину кабеля, обусловленной затуханием.

Также нужно помнить, что использование оптоволоконного кабеля требует специальных оптических приемников и передатчиков, которые превратят световые сигналы в электрических и назад, что временами существенно увеличивает стоимость сети в целом.

Оптоволоконные кабели допускают разветвление сигналов (для этого производятся специальные пассивные распределители (couplers ) на 2-8 каналов), но, как правило, их используют для передачи данных только в одном направлении между одним передатчиком и одним приемником. Ведь любое разветвление неминуемо сильно ослабляет световой сигнал, и если разветвлений будет много, тот свет может просто не дойти до конца сети. Кроме того, в распределителях есть и внутренние потери, так что суммарная мощность сигнала на выходе меньше входной мощности.

Оптоволоконный кабель менее крепок и гибок, чем электрический. Типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10 - 20 см, при меньших радиусах изгиба центральное волокно может сломаться. Плохо переносит кабель и механическое растягивание, а также раздавливая влияния.

Чувствительный оптоволоконный кабель и к ионизирующим излучениям, через которые снижается прозрачность стекловолокна, то есть увеличивается затухание сигнала. Резкие перепады температуры также негативно отражаются на нем, стекловолокно может треснуть.

Применяют оптоволоконный кабель только в сетях с топологией звезда и кольцо. Никаких проблем согласования и заземления в этом случае не существует. Кабель обеспечивает идеальную гальваническую развязку компьютеров сети. В будущем этот тип кабеля, вероятно, вытиснит электрические кабели или, во всяком случае, сильно потеснит их. Запасы меди на планете истощаются, а сырья для производства стекла вполне достаточно.

Типы оптоволоконных кабелей

1. многомодовый или мультимодовый кабель, более дешевый, но менее качественный;
2. одномодовый кабель, более дорогой, но имеет лучшие характеристики по сравнению с первым.

Суть расхождения между двумя типами сводится к разным режимам прохождения световых лучей в кабеле.

Рис. 2. Распространение света в одномодовом кабеле

В одномодовом кабеле практически все лучи проходят тот же путь, в результате чего они достигают приемника одновременно, и форма сигнала почти не искажается (рис. 2). Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает светло только с такой же длиной волны (1,3 мкм). Дисперсия и потери сигнала при этом очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномодового кабеля применяются лазерные прийомопередавачи, что используют светло исключительно с необходимой длиной волны. Такие прийомопередавачи пока еще сравнительно дороги и не долговечные. Однако в перспективе одномодовый кабель должен стать основным типом благодаря своим прекрасным характеристикам. К тому же лазеры имеют большее быстродействие, чем обычные светодиоды. Затухание сигнала в одномодовом кабеле составляет около 5 дБ/км и может быть даже снижено до 1 дБ/км.

Рис. 3. Распространение света в многомодовом кабеле

В многомодовому кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается (рис. 3). Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки 125 мкм (это иногда отражается как 62,5/125). Для передачи используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков в сравнении с одномодовым кабелем. Длина волны света во многомодовому кабеле равняется 0,85 мкм, при этом наблюдается разброс длин волн около 30 - 50 нм. Допустимая длина кабеля составляет 2 - 5 км.

Многомодовый кабель - это основной тип оптоволоконного кабеля в это время, потому что он более дешево и более доступно. Затухание во многомодовому кабеле больше, чем в одномодовом и составляет 5 - 20 дБ/км.

Типичная величина задержки для самых распространенных кабелей составляет около 4-5 нс/м, что близко к величине задержки в электрических кабелях.
Оптоволоконные кабели, как и электрические, выпускаются в исполнении plenum и non-plenum .

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.

Существует два вида кабелей в волоконно-оптических линиях связи. А именно: кабель волоконно-оптический многомодовый и, соответственно, одномодовый.

Как следует из названия, по архитектуре одномодовый кабель не позволяет пропустить через себя более одного луча - моды. Таким образом, разница между одномодовым и многомодовым оптическим кабелем заключается в способе распространения по ним оптического излучения. Размер сердечника световода самый значительный признак, который может повлиять на то, одномодовый оптический кабель купить или какой-либо другой.

Меньший диаметр сердечника обеспечивает и меньшую модовую дисперсию, и как результат - возможность передачи информации на большие расстояния без использования роутеров, повторителей и ретрансляторов. Негативным фактором является то, что одномодовое волокно и электронные компоненты, которые обеспечивают передачу, прием и трансформацию данных, а также поддерживающие на должном уровнетехнические характеристики оптических кабелей, весьма дорогостоящи.

Что касается конкретных размеров, то волокно одномодового волокна имеет очень тонкий сердечник, диметр которого составляет 10 мкм и меньше. Пропускная способность кабеля варьируется в пределах от 10 Гбитс и выше.

Многомодовый оптический кабель

В отличие от одномодового многомодовый кабель позволяет пропустить через себя n-ное количество модов. Такой проводник и может содержать независимые световые пути в количестве больше одного. Однако величина диаметра сердечника способствует тому, что свет с большей вероятностью будет отражаться от поверхности внешней оболочки сердечника, а это в свою очередь увеличивает модовую дисперсию. Рассеивание луча в кабеле приводит к сокращению расстояния передачи сигнала и необходимости увеличения количества ретрансляторов.

Любой инженер, закончивший проектирование волс, как конечный результат в сети получит скорость передачи данных на уровне 2.5 гбитс. Снова возникает вопрос: «Если я куплю кабель волоконно-оптический, то какой именно стоит выбрать?» Все зависит от технических показателей и необходимого качества связи. Например, можно приобрести кабель оптический 8 волокон. В таком проводнике, как и указано, 8 волокон, которые размещены в центральном модуле.