Классификация и применение оптических волокон

Классификация оптических волокон

Оптическое волокно (ОВ) – это волновод с круглым поперечным сечением, по которому передается электромагнитное излучение оптического диапазона. Конструкция оптического волокна представляет из себя двухслойную цилиндрическую кварцевую нить, состоящую из сердцевины и оболочки. Диаметр этой структуры сравним с толщиной человеческого волоса и составляет 125 мкм. Сверху на оптоволокно наносится защитное акриловое покрытие. Обычно это покрытие содержит цветовой пигмент, для удобства работы с несколькими волокнами.

Диаметры сердцевины и оболочки для многомодового волокна (MM – Multi Mode) составляют, соответственно, 50/125 мкм или 62,5/125 мкм, а для одномодового волокна (SM – Single Mode) — 9/125 мкм. 

Конструкция оптического волокна

Сердцевина оптического волокна содержит дополнительные примести (легирована германием), поэтому её показатель преломления немного больше, чем у оболочки, благодаря этому, свет распространяется в сердцевине волокна, испытывает полное внутреннее отражение на границе с оболочкой. Внешнее лаковое покрытие необходимо для защиты кварцевой оболочки от механических повреждений и воздействия воды. 

Показатель преломления сердцевины, обычно имеющий величину от 1,4 до 1,5, всегда немного больше, чем показатель преломления оболочки (разница порядка 1%). Значение показателя преломления отличаются у волокон различных производителей. Его точное значение указывается в паспорте на кабель или волокно.

Одномодовое оптическое волокно

Величина затухания в SM волокне в несколько раз меньше, чем в MM, что позволяет передавать информацию на очень большие расстояния (от нескольких метров до тысяч километров).

Первые SM-волокна появились в начале 80-х годов и стали активно использоваться в протяженных линиях связи. В то же время для передачи на короткие расстояния, например, в локальных сетях, продолжалось использование ММ-волокна. Со временем, в связи с уменьшением стоимости как самого волокна, так и компонентов для него, одномодовое волокно стало завоевывать все большую популярность и при построении локальных сетей. Таким образом, сегодня кварцевое SM- волокно является самым распространенным типом оптического волокна.

Стандартное SM-волокно имеет ступенчатый профиль показателя преломления, но со временем разрабатывались другие типы профиля, что позволило изменить свойства волокон и адаптировать их под разные сферы. Свойства волокон описаны в семействе стандартов ITU-T G.652-657.

• Одномодовое волокно с несмещенной дисперсией, G.652 (SSMF – Standard Singlemode Fiber)

Наиболее распространенный тип одномодового волокна с точкой нулевой хроматической дисперсии на длине волны 1300 нм. Стандарт выделяет четыре подкласса (A, B, C и D), отличающихся своими характеристиками. Особо стоит отметить волокна G.652.C и G.652.D – они имеют низкое затухание на длине волны 1383 нм, то есть в области «водного пика», а потому могут использоваться в системах CWDM.

• Одномодовое волокно с нулевой смещенной дисперсией, G.653 (ZDSF – Zero Dispersion-Shifted Fiber)

Изменяя профиль показателя преломления, можно сдвинуть точку нулевой дисперсии в третье окно прозрачности (1550 нм), что позволяет уменьшить влияние дисперсии, и, следовательно увеличить дальность передачи сигнала при работе в этом диапазоне.

• Одномодовое волокно со смещенной длиной волны отсечки, G.654

Волокна с минимизацией потерь на длине волны l=1550 нм являются модификацией волокон SSF с уменьшенными потерями (менее 0,18 дБ/км) в третьем окне прозрачности. Низкое затухание достигается за счет применения кварца сверхвысокой степени очистки для сердцевины, что позволяет снизить затухание, обусловленное поглощением примесями, а также формирования больших значений длины волны отсечки для уменьшения чувствительности к потерям, обусловленным изгибами волокна. Такое оптоволокно может использоваться для передачи цифровой информации на большие расстояния, например, в наземных системах дальней связи и магистральных подводных кабелях с оптическими усилителями. Из-за трудности производства эти волокна очень дороги.

• Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией, G.655 (NZDSF – Non-Zero Dispersion Shifted Fiber)

Предназначено для передачи на длинах волн 1550 нм диапазона и оптимизировано для систем DWDM. Абсолютное значение коэффициента хроматической дисперсии в этом волокне немного больше нуля. Ненулевая дисперсия препятствует возникновению нелинейных эффектов, которые оказывают существенное влияние на сигналы в DWDM системах, работающих на большие расстояния.

• Одномодовое волокно c ненулевой смещенной дисперсией для широкополосной передачи, G.656

Подобно волокну G.655, имеет ненулевое значение коэффициента хроматической дисперсии, но уже в диапазоне длин волн 1460-1625 нм, поэтому хорошо подходит как для систем DWDM, так и для CWDM.

• Одномодовое волокно, не чувствительное к потерям на изгибах, G.657

В основном предназначено для прокладки внутри помещений и построении FTTH сетей доступа. Стандарт G.657 выделяет несколько подклассов одномодового волокна, отличающихся минимальным радиусом изгиба и соответствующей величиной потерь.

Многомодовое оптическое волокно

В начале 70х годов прошлого века Компания Corning Glass Works разработала методику производства стеклянных волокон, имеющих ослабление до 20 дБ/км. Фирмы Bell laboratories. Через несколько лет удалось разработать волокна с потерями до 4 дБ/км. С 80х годов началось коммерческое распространение оптоволоконных систем связи.

Наибольшее распространение получили многомодовые волокна 50/125 и 62,5/125 мкм. Первые коммерческие MM волокна имели диаметр сердцевины 50 мкм и ступенчатый профиль коэффициента преломления, а основным источником излучения были светодиоды с длиной волны 650-850мкм. Дальнейшее развитие технологий, привело к появлению волокон с сердцевиной 62,5 мкм. 

Из-за влияния межмодовой дисперсии MM-волокно имеет ограничения по скорости и дальности распространения сигнала по сравнению с SM-волокном. Обычно многомодовые волокна используются для коммутации оборудования внутри одного помещения на расстоянии до нескольких десятков метров.

Параметры многомодовых кварцевых волокон, описаны в нескольких стандартах. 

OM1 - 62,5 / 125 - IEC60793-2-10 A1b - TIA 492-AAAA - стандартное многомодовое волокно 62,5/125 мкм;

OM2 - 50/125 - IEC60793-2-10 A1a.1 - G.651.1 - TIA 492-AAAB - стандартное многомодовое волокно 50/125 мкм

OM3 - 50/125 - IEC60793-2-10 A1a.2 - G.651.1 - TIA 492-AAAC - многомодовое волокно, оптимизированное для работы с лазером;

OM4 - 50/125 - IEC60793-2-10 A1a.3 - TIA 492-AAAD- многомодовое волокно, оптимизированное для работы с лазером, с улучшенными характеристиками

OM5 - 50/125 - ISO/IEC 11801 (Edition 3) и ANSI/TIA-568.3-D - многомодовое волокно с поддержкой передачи SWDM (Short-wavelength division multiplexing – коротковолновое мультиплексирование с разделением по длине волны) 

Основной параметр, зависящий от дисперсии и определяющий способность волокна поддерживать распространение сигнала на определенные расстояния — коэффициент широкополосности или ширина полосы пропускания. Для каждого класса в стандарте указываются значения затухания и коэффициента широкополосности. 

В июне 2016 года Ассоциация телекоммуникационной промышленности (TIA) опубликовала стандарт, описывающий новый класс ММ волокна – ОМ5 (TIA-492AAAE). Волокна, изготовленные по такому стандарту, позволят использовать технологию SWDM (Short-wavelength division multiplexing – уплотнение по коротким длинам волн) с четырьмя различными длинами волн. Что, в свою очередь, даст возможность повысить скорость передачи информации в 4 раза при сохранении и даже небольшом увеличении максимальной длины линии.

Применение

В настоящее время сложилась практика выбора оптического кабеля в зависимости от сферы применения.

Одномодовое волокно используется:

• в морских и трансокеанских кабельных линиях связи;

• в наземных магистральных линиях дальней связи;

• в региональных линиях, линиях связи между городскими узлами, в выделенных оптических каналах большой протяженности, в магистралях к оборудованию операторов мобильной связи;

• в системах кабельного телевидения;

• в системах GPON с доведением волокна до конечного пользователя;

• в СКС, когда магистрали достигают длины 550 м и более (например, между зданиями);

• в СКС, обслуживающих ЦОД, независимо от расстояния.

Многомодовое волокно в основном используется:

• в СКС, в магистралях, проходящих внутри здания (как правило, протяженностью до 300 м);

• в горизонтальных сегментах СКС и в системах FTTD (fiber-to-the-desk), где устанавливаются пользовательские рабочие станции с многомодовыми оптическими сетевыми картами;

• в ЦОД, для соединения оптических модулей, работающих на скоростях 1/10/25/40/100/400G.

В настоящее время стоимость оптических модулей QSFP+, QSFP28, работающих на 850нм, 880нм, 910нм, 940нм – существенно ниже модулей, работающих на 1310/1550нм, что позволяет использовать многомодовые патчкорды и кабельные сборки.