Одномодовое и многомодовое волокно отличия. Многомодовый и одномодовый оптический кабель, отличия, применение

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.

Параметры	Одномодовые	Многомодовые
Используемые длины волн	1,3 и 1,5 мкм	0,85 мкм, реже 1,3 мкм
Затухание, дБ/км.	0,4 - 0,5	1,0 - 3,0
Тип передатчика	лазер, реже светодиод	светодиод
Толщина сердечника.	8 или 9,5 мкм	50 или 62,5 мкм
Дальность передачи Fast Ethernet.	около 20 км	до 2 км
Дальность передачи специально разработанных устройств Fast Ethernet.	более 100 км.	до 5 км
Возможная скорость передачи.	10 Гб, и более.	до 1 Гб. на ограниченной длине
Область применения.	телекоммуникации	локальные сети

Материал предоставлен

Некоторые свойства оптического волокна как световода напрямую зависят от диаметра сердцевины. По этому параметру оптоволокно делится на две категории:

многомодовое (MMF ) и одномодовое (SMF ) .

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные.

Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые одномодовые волокна или стандартные волокна (SF), на волокна со смещённой дисперсией (DSF), и на волокна с ненулевой смещённой дисперсией (NZDSF).

Многомодовое оптоволокно .

У этой категории оптоволокна диаметр сердцевины относительно большой по сравнению с длиной волны света, излучаемого передатчиком. Диапазон его значений составляет 50--1000 мкм при используемых длинах волн около 1 мкм. Однако наиболее широкое распространение получили волокна с диаметрами 50 и 62,5 мкм. Передатчики для такого оптоволокна излучают импульс света в некотором телесном угле, т. е. лучи (моды) входят в сердцевину под разными углами. В результате лучи проходят от источника к приемнику неравные по длине пути и, следовательно, достигают его в разное время. Это приводит к тому, что ширина импульса на выходе оказывается больше, чем на входе. Такое явление называется межмодовой дисперсией . В ступенчатом ОВ, более простом для изготовления, коэффициент преломления изменяется ступенчато на границе сердцевины с оболочкой. Ход лучей в таком волокне показан на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Ход лучей света в волокне

В градиентном ОВ коэффициент преломления плавно понижается от центра границе. Лучи света, пути которых проходят в периферийных областях с меньшим коэффициентом преломления, распространяются быстрее, чем те, которые проходят вблизи центра, что в итоге компенсирует разницу в длинах путей. В таком оптоволокне эффект межмодовой дисперсии намного ниже, чем в ступенчатом (рисунок 2.3).

Уширение сигнала устанавливает предел числу передаваемых в секунду импульсов, которые все еще могут быть безошибочно распознаны на принимающем конце канала. Это, в свою очередь, ограничивает полосу пропускания многомодового волокна.

Рисунок 2.4 – Конструкции различных волокон

Очевидно, что величина дисперсии на приемном конце зависит также и от длины кабеля. Поэтому пропускная способность для оптических магистралей определяется на единицу длины. Для оптоволокна со ступенчатым профилем коэффициента преломления она в типичном случае составляет 20-30 MГц на километр (MГц/км), в то время как для градиентных ОВ она находится в диапазоне 100-1000 MГц/км.

Многомодовое оптоволокно может иметь стеклянный стержень и пластиковую оболочку. Такому оптоволокну присущи ступенчатый профиль коэффициента преломления и полоса пропускания 20-30 MГц/км. Одномодовое оптоволокно

Основным отличием такого волокна, во многом определяющим его свойства как световода, является диаметр сердцевины. Он составляет всего от 7 до 10 мкм, что уже сравнимо с длиной волны светового сигнала. Малая величина диаметра позволяет сформировать только один луч (моду), что и нашло отражение в названии (рисунок 2.4).

Достоинства многомодовых ОВ по сравнению с одномодовыми:

Из-за большого диаметра сердцевины многомодового ОВ снижаются требования к источникам излучения, так как для ввода излучения могут применяться более дешевые и вместе с тем более мощные полупроводниковые лазеры, и даже светодиоды. Для электропитания светодиодов применяют очень простые схемы, что упрощает устройство, и уменьшает стоимость ВОСП.

В приемном оптическом модуле могут применяться фотодиоды с большим диаметром фоточувствительной площадки. Такие фотодиоды имеют низкую стоимость.

При сращивании многомодовых ОВ требуемая точность совмещения торцов на порядок ниже, чем в случае сращивания одномодовых ОВ.

Оптические разъемы для многомодовых ОВ по тем же причинам имеют на порядок менее жесткие требования, чем оптические разъемы для одномодовых ОВ.

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

многомодовый или мультимодовый кабель, более дешевый, но менее качественный;
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 .

По типу конструкции, вернее по размеру серцевины, оптические волокна делятся на одномодовые (ОМ) и многомодовые (ММ). Строго говоря, употреблять эти понятия следует относительно конкретной используемой длины волны, но после рассмотрения Рисунка 8.2, становится понятно, что на сегодняшнем этапе развития технологий можно это не учитывать.

Рис. 8.3. Одномодовые и многомодовые оптические волокна

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 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.

Таб. 8.1. Сравнение одномодовых и многомодовых технологий.

Параметры	Одномодовые	Многомодовые
Используемые длины волн	1,3 и 1,5 мкм	0,85 мкм, реже 1,3 мкм
Затухание, дБ/км.	0,4 - 0,5	1,0 - 3,0
Тип передатчика	лазер, реже светодиод	светодиод
Толщина сердечника.	8 мкм	50 или 62,5 мкм
Стоимость волокон и кабелей.	Около 70% от многомодового	-
Средняя стоимость конвертера в витую пару Fast Ethernet.	$300	$100
Дальность передачи Fast Ethernet.	около 20 км	до 2 км
Дальность передачи специально разработанных устройств Fast Ethernet.	более 100 км.	до 5 км
Возможная скорость передачи.	10 Гб, и более.	до 1 Гб. на ограниченной длине
Область применения.	телекоммуникации	локальные сети

Виды и типы разъемов

Рассмотрим разъемные соединения. Если предел дальности действия высокоскоростных электропроводных линий на основе витой пары зависит от разъемов, то в оптоволоконных системах вносимые ими дополнительные потери достаточно малы. Затухание в них оставляет около 0,2-0,3 дБ (или несколько процентов).

Поэтому вполне возможно создавать сети сложной топологии без использования активного оборудования, коммутируя волокна на обычных разъемах. Особенно заметны преимущества такого подхода на небольших по протяженности, но разветвленных сетях "последней мили". Очень удобно отводить по одной паре волокон на каждый дом от общей магистрали, соединяя остальные волокна в коммутационной коробке "на проход".

Что основное в разъемном соединении? Конечно, сам разъем. Основные его функции заключаются в фиксация волокна в центрирующей системе (соединителе), и защите волокна от механических и климатических воздействий.

Основные требования к разъемам следующие:

· внесение минимального затухания и обратного отражения сигнала;

· минимальные габариты и масса при высокой прочности;

· долговременная работа без ухудшения параметров;

· простота установки на кабель (волокно);

· простота подключения и отключения.

На сегодня известно несколько десятков типов разъемов, и нет того единого, на который было бы стратегически сориентировано развитие отрасли в целом. Но основная идея все вариантов конструкций проста и достаточно очевидна. Необходимо точно совместить оси волокон, и плотно прижать их торцы друг к другу (создать контакт).

Рис. 8.6. Принцип действия оптоволоконного разъема контактного типа

Основная масса разъемов выпускается по симметричной схеме, когда для соединения разъемов используется специальный элемент - coupler (соединитель). Получается, что сначала волокно закрепляется и центрируется в наконечнике разъема, а затем уже сами наконечники центрируются в соединителе.

Таким образом, можно видеть, что на сигнал влияют следующие факторы:

· Внутренние потери - вызванные допусками на геометрические размеры световодов. Это эксцентриситет и эллиптичность сердцевины, разность диаметров (особенно при соединении волокон разного типа);

· Внешние потери, которые зависят от качества изготовления разъемов. Возникают из-за радиального, углового смещения наконечников, непараллельности торцевых поверхностей волокон, воздушного промежутка между ними (френелевские потери);

· Обратное отражение. Возникает из-за наличия воздушного промежутка (френелевское отражение светового потока в обратном направлении на границе стекло-воздух-стекло). Согласно стандарта TIA/EIA-568А, нормируется коэффициент обратного отражения (отношение мощности отраженного светового потока к мощности падающего). Он должен быть не хуже -26 дБ для одномодовых разъемов, и не хуже -20 дБ для многомодовых;

· Загрязнение, которое, в свою очередь, может вызвать как внешние потери, так и обратное отражение.

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.