Одномодовый и многомодовый оптический кабель. Разница между одно- и многомодовыми оптическими кабелями

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.

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).

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 .

Это одна из разновидностей оптоволокна, который имеет большой диаметр сердцевины и проводит лучи света при помощи эффекта внутреннего отражения.

Особенности применения многомодовых оптических кабелей.

Все оборудование, которое используется для сетей, функционирующих на базе многомодового оптического волокна, является более дешевым, чем такое оборудование для одномодового оптоволокна. Как правило, скорость передачи данных по многомодовым кабелям составляет 100 м/бит для расстояния в два километра. В свою очередь расстояние от 220 до 500 метров, может быть пройдено со скоростью в 1 гигабит. Если же говорить про расстояние до 300 метров, то скорость его преодоления составляет порядка 10 гигабит.

Многомодовый волоконно-оптический кабель отличается высоким уровнем производительности, а также надежности. Как правило, кабеля данного типа используются при построении сетевых магистралей. Они имеют удобную стандартную архитектуру, которая позволяет в полной мере увеличить длину сети передачи данных.

Типы многомодовых волоконно-оптических кабелей.

Первым представителем семейства является кабель MOB-G (Рис.1). Кабель данного типа состоит из сердцевины и оболочки. Наружная часть волокна имеет защиту, в виде специальных оболочек. Кабеля имеют определенные особенности конструкции волокна. Так, на сегодняшний день, волокна производятся в соответствии со стандартом EN 188200 и VDE 0888. В соответствии с данными стандартами к кабелям данного типа относят определенные требования.

Требования к волокну многомодового волоконно-оптического кабеля:

• Диаметр сердцевины должен составлять 50 мкм. Допускается погрешность в 3 мкм.
• Внешняя толщина волокна должна составлять 125 мкм. Допускается погрешность в 2 мкм.
• Диаметр внешней первичной оболочки должен составлять 250 мкм. Допускается погрешность в 10 мкм.
• Диаметр внешней вторичной оболочки должен составлять 900 мкм. Допускается погрешность в 10 мкм.

Волокна данного типа, описываются с использованием системы классификации, которая была определена Международной Организацией Стандартизации. Так, в соответствии с документами, определено четыре стандарта многомодовых волоконно-оптических кабелей - OM1-OM4. Стоит отметить, что данные стандарты базируются на ширине полосы пропускания. При этом, стандарт ОМ4 предназначен для проведения работ на скорости до 100 гигабит в секунду. Он является последним представленным стандартом и успешно функционирует с августа 2009 года.

Отличительные характеристики кабелей.

Для того чтобы многомодовые волокна отличались от одномодовых, при производстве кабелей данного типа производители используют определенные отличительные характеристики. Так, на сегодняшний день принято применять различные цвета окраски оболочки кабеля. Однако стоит отметить, что данное условие не является обязательным для компаний-производителей кабелей. Именно поэтому, полагаться исключительно на цвет оболочки кабеля не рекомендуется.

В заключении следует сказать, что на сегодняшний день, одними из самых распространенных цветов многомодовых волоконно-оптических кабелей, является оранжевый (Рис.2) и серый цвета. Так, кабеля оранжевого цвета предназначены для 50/125 мкм. В свою очередь кабеля серого цвета, используются для 62,5/125 мкм. Также, на рынке можно встретить многомодовые кабеля бирюзового цвета, которые имеют многомодовые волокна стандартов ОМ3 и ОМ4. Кабеля данного типа подходят для 50/125 мкм. Стоит сказать, что на рынке также можно встретить многомодовые кабеля желтого цвета, однако, как правило, желтые кабеля соответствуют одномодовым волокнам.

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