Тема: Основные параметры оптических одномодовых и многомодовых волокон.

Цель: ознакомиться с отличиями конструкции и параметров одно- и многомодовых волокон.

План:

1. Конструкция оптического волокна.

2. Мультимодовое и одномодовое волокно.

3. Сравнение одномодовых и многомодовых технологий.

4. Параметры ОВ.

1.Конструкция оптического волокна

На современном рынке сетевого оборудования представлено множество видов оптоволоконных кабелей, однако сами волокна в них мало чем отличаются друг от друга. Кроме этого, волокна, из которых собирают кабели, производит совсем маленькое число предприятий. К числу самых известных относятся AT&T и Fujikura.

Конструкция оптического волокна

Клэдинг (так называется внешний диаметр отражающей оболочки) - это постоянная величина, находящаяся в пределах 125±2 мкм. Для защиты кабеля от проникновения влаги и водорода применяют специальный полимерный лак (его слой 2-3 мкм., толщина слоя которого, входит в указанный размер). Для придания кабелю гибкости, и, при этом, сохранения его прочности, используют специальное защитное покрытие. Его название - буфер и изготовляется оно из эпоксиакриолата. Оболочка может быть различных цвета - это делают для облегчения работы монтажников. Ее толщина равна 250±15 мкм. Для облегчения монтажа кабельной системы и повышения защиты, используют решения с вторичным буфером диаметром 900 мкм. Все последующие части кабеля просто выполняют функцию защиты хрупких волокон от повреждений извне.

2.Мультимодовое и одномодовое волокно

Существует два вида оптического волокна: одномодовые (ОМ) и многомодовые (ММ). Их разделяют в зависимости от размера сердцевины. Использовать это разделение следует применительно к каждой из длин волн, но сегодняшний уровень развития технологий позволяет не учитывать этот параметр.

Одномодовые и многомодовые оптические волокна

Если применяется многомодовое волокно, то диаметр сердечника превышает длину световой волны в два раза. Такой подход обеспечивает свету возможность распространения по нескольким модам одновременно независимо друг от друга. В связи с тем, что разные моды имеют разную длину, сигнал к приемнику будет поступать не одновременно.

Всем известное ступенчатое волокно (первый вариант) не может использоваться в сетях, где планируется передача данных на высоких скоростях. Связано это с тем, что оно имеет постоянный коэффициент преломления по всему сечению сердечника, а это вызывает большое модовое рассеивание.

Для решения этой проблемы было изобретено градиентное волокно (второй вариант). Для производства сердечника используют материал неравномерной плотности. Рисунок наглядно демонстрирует сглаживание, которое значительно сокращает длину пути лучей. Кроме того, что чем дальше луч от середины волокна, тем быстрее скорость его распространения (компенсируется расстояние). Связано это с плотностью материала, которая снижается по параболическому закону на пути от центра к краю, и достигает своего минимума у самого края внешней границы. А, как уже упоминалось выше, скорость распространения увеличивается со снижением плотности среды передачи.

Так и получается, что поток данных выравнивается, благодаря изменению в плотности среды. Если ответственно подойти к вопросу подбора параметров, но можно добиться максимального сокращения разницы во времени распространения сигнала. Можно сделать вывод, что межмодовое рассеивание в градиентном волокне на порядок меньше, чем в оптоволокне, которое имеет постоянную плотность сердечника.

Получающийся в итоге поток данных сбалансирован, но не на 100%, поэтому используют волокна, имеющие как можно меньший диаметр сердечника. В таких волокнах проходит лишь один луч при заданной длине волны.

Самым популярным считается оптоволокно с диаметром сердечника 8 микрон, т.к. это позволяет передавать сигнал с длиной волны 1,3 мкм. Если источник сигнала не идеален, то будет наблюдаться межчастотная дисперсия, но она будет оказывать меньшее влияние, чем при межмодовой или материальной. Отсюда видно, что пропускная способность одномодового кабеля во много раз выше, чем многомодового.

Монтаж одномодового волокна потребует от специалиста высокой точности работ. Связано это с маленьким диаметром сердечника. Кроме того если производится сварка или волокно соединяется с помощью разъемов, то допусков должно быть значительно меньше, по сравнению с монтажом мультимодового волокна. В связи со всеми этими сложностями, большинство сетей, которые строили еще несколько лет назад, создавалось с применением мультимодных кабелей.

В наше же время, существует реальное решение этих проблем. Если прибавить к этому еще и тот факт, что мультимодное волокно стоит в два раза дороже обычного одномодного, то, скорее всего, оно скоро будет полностью вытеснено с рынка.

К числу ограничений на применение одномодовых кабелей можно отнести и активное оборудование, которое стоило довольно дорого. Совсем в недавнем прошлом, простейший конвертер для одномодной системы стоил почти 1 тыс. долларов, а сегодня его цена выровнялась, и цены уже не является решающим фактором. К тому же использование одноволоконного оборудования сейчас носит массовый характер, что окончательно сбивает мультимодовый кабель с его доминирующей позиции.

3. Сравнение одномодовых и многомодовых технологий

4. Основой оптоволоконного кабеля является светодиод, который изготавливают из кварцевого стекла. Такой светодиод называется оптическим волокном, отсюда происходит название этих кабелей.

Основными параметрами светодиода являются:

• преломление, равное 1,46;
• коэффициент теплопроводности = 1,4 Вт/мк;
• плотность = 2203 кг/м.

Оптоволокно дает возможность передавать сигнал в диапазоне частот (2,3-1,2)*1014 Гц, при длине волны 0,85-1,6 мкм. Такие показатели позволяют передавать данные на очень высоких скоростях. Используя только сотую долю представленного диапазона, можно транслировать 100 тыс. телевизионных сигналов или 1 млрд телефонных переговоров.

Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Свое название волокна получили от способа распространения излучения в них. Волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления.
В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10 мкм, то есть сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода).

В многомодовом волокне размер световодной жилы порядка 50-60 мкм, что делает возможным распространение большого числа лучей (много мод).
Оба типа волокна характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией.

Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне.
Потери на поглощение зависят от чистоты материала, потери на рассеяние зависят от неоднородностей показателя преломления материала.
Затухание зависит от длины волны излучения, вводимого в волокно.

В настоящее время передачу сигналов по волокну осуществляют в трех диапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность. Другой важнейший параметр оптического волокна - дисперсия.
Дисперсия - это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала. Существуют три типа дисперсии: модовая, материальная и волноводная.
Модовая дисперсия присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно.

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны.

Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.
Поскольку светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространении по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке пользуются термином "полоса пропускания" - это величина, обратная к величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в МГц*км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.
Если при распространении света по многомодовому волокну, как правило, преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну присущи только два последних типа дисперсии. На длине волны 1.3 мкм материальная и волноводная дисперсии в одномодовом волокне компенсируют друг друга, что обеспечивает наивысшую пропускную способность.

Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны. Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой же причине одномодовые волокна сложно сращивать с малыми потерями.

Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как в них размер световодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовых волокнах. Многомодовый кабель проще оконцевать оптическими разъемами с малыми потерями (до 0.3 dB) в стыке. На многомодовое волокно рассчитаны излучатели на длину волны 0.85 мкм - самые доступные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон находится в пределах 3-4 dB/км и не может быть существенно улучшено. Полоса пропускания у многомодовых волокон достигает 800 МГц/км, что приемлемо для локальных сетей связи, но не достаточно для магистральных.

Контрольные вопросы:

1. Назовите основные части оптоволоконного кабеля.

2. Почему ступенчатое волокно не может использоваться в сетях, где планируется передача данных на высоких скоростях?

3. Пропускная способность одномодового или многомодового кабеля во много раз выше?

4. Модовая дисперсия присуща ……………модовому волокну.

5. Какое волокно обладает лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания?

6. Какое волокно более удобно при монтаже и почему?

Литература:

Семенов А.Б.,Стрижаков С.К., Сунчелей И.Р. Структурированные кабельные системы.-:ДМК Пресс,2012, стр. 76-86.