Оптичні волокна для телекомунікацій: кварцові і не тільки

Час від часу на Хабре з'являються різні статті на тему волоконно-оптичних ліній зв'язку (ВОЛС), що не дивно, оскільки оптична зв'язок сьогодні є одним з основних способів передачі інформації. Оптичні лінії зв'язку успішно конкурують з традиційними мідними лініями і бездротовими технологіями. Саме оптичному волокну ми багато в чому зобов'язані різким збільшенням обсягу і швидкості передається по всьому світу інформації за останні роки і, зокрема, розвитком Інтернету. Більш того, з кожним роком оптичне волокно стає все ближче до споживача і освоює все нові сфери застосування.
image
Ми впевнені, що кожен поважаючий себе IT-фахівець повинен мати хоча б загальне уявлення про ВОЛЗ, незалежно від того, чим конкретно він займається. Пропонована вашій увазі стаття присвячена різновидів і класифікації оптичних волокон. Звичайно, зараз можна легко знайти дуже багато різної інформації на цю тему. Але, як ви побачите далі, і нам є що розповісти. Тим більше що на Хабре поки тема оптичного волокна освітлена, як нам здається, в недостатній мірі.
Але для початку трохи про себе
Компанія «ЕФО» займається поставками імпортних електронних компонентів на російський ринок з 1991 року. Останні 15 років (з 2001 р. наша програма поставок включає волоконно-оптичні та оптоелектронні компоненти. Історично склалося, що основними нашими клієнтами є представники різних галузей промисловості.
«ЕФО» має кілька спеціалізованих сайтів під різні групи продукції. Оптичного зв'язку сайт присвячений infiber.ru, яким займаються співробітники Відділу волоконно-оптичних компонентів. Сайт містить каталог волоконно-оптичної продукції, яку ми поставляємо. Також тут публікуються новини виробників і статті, написані співробітниками відділу. Наш сайт створений недавно, але активно розвивається.
Мета даної статті
Як вже згадувалося, у цій статті ми хотіли розповісти не стільки про самому оптичному волокні, скільки про його різновиди та класифікації. Більшість читачів, швидше за все, знає різницю між одномодом і многомодом, але ми хочемо дати більш детальну інформацію, щоб Ви могли легко орієнтуватися в різноманітті сучасних волокон і їх властивості і не зазнавали труднощів з питаннями, які виникають в практичній роботі, наприклад:
  • Що означає OM4 в специфікації до оптичному волокну і чим воно відрізняється від OM1, OM2 і OM3?
  • Які матеріали використовуються при виробництві волокон і кабелів? Що таке пластикове оптичне волокно?
  • Де слід використовувати волокно зі зміщеною дисперсією і в яких випадках дисперсія повинна бути нульовою?
  • Що означають абревіатури POF і HCS (PCS)?
Досвід спілкування з замовниками показує, що ці і інші речі, пов'язані з класифікацією волокон, відомі далеко не всім (нагадаємо, наші клієнти в основному працюють в промисловості і найчастіше є фахівцями кожен у своїй галузі). Тому вважаємо, що подібна інформація буде дуже корисною. Дуже сподіваємося, що однією статтею наше спільне обговорення теми ВОЛЗ на Хабре не закінчиться.
Трохи забігаючи вперед, зазначимо, що однією з головних особливостей цієї статті ми вважаємо знайомство читачів з волокнами POF і HCS, оскільки 1) ці волокна набирають все більшу популярність в промисловості та інших сферах і 2) на відміну від традиційних кварцових волокон вони не так добре висвітлені в російськомовному інтернеті.
І останнє. Нещодавно ми розмістили на нашому сайті п'ять статей, в яких більш детально розповідається про оптичному волокні та його основні типи. Кому інформації, викладеної нижче, виявиться недостатньо, ласкаво просимо до нас на сайт!
Оптичне волокно і його основні характеристики
Виходячи з поставленого завдання (представити класифікацію оптичних волокон), ми не хотіли б сильно заглиблюватися в теоретичні основи волоконно-оптичного зв'язку. Але для того щоб інформація була зрозуміла широкому колу читачів, почнемо все-таки з того, що являє собою оптичне волокно, яким чином по ньому передається сигнал і які його деякі основні характеристики.
Оптичне волокно (оптоволокно) – це хвилевід з круглим поперечним перерізом, за яким передається електромагнітне випромінювання оптичного діапазону (зазвичай ближній ІЧ та видиме світло). Оптичне волокно складається з двох основних частин: серцевини і оптичної оболонки. Діаметр цієї структури порівняємо з товщиною людського волоса. Зверху на оптоволокно наноситься захисне акрилове покриття. Для подальшого захисту використовуються різні зміцнюючі та захисні елементи. Конструкція, що містить одне або кілька оптичних волокон і різні захисні елементи, вкриті спільною оболонкою, називається волоконно-оптичним кабелем.

Інформаційний сигнал передається по оптичному волокну у вигляді світлового випромінювання модульованого. Завдяки явищу повного внутрішнього відбиття (згадайте шкільний курс геометричної оптики), світло, що потрапив у оптоволокно, поширюється по ньому на великі відстані. Серцевина і оптична оболонка волокна виготовляються з матеріалів з трохи відмінними показниками заломлення (показник заломлення серцевини більше). Тому світлові хвилі, що потрапили в серцевину під кутами, меншими деякого критичного значення, багаторазово переотражаются від оболонки. Якщо при цьому виконуються умови для поширення у хвилеводі (світло – це не тільки потік частинок, але і електромагнітна хвиля), то такі світлові хвилі, звані модами, поширюються на значні відстані.

Крім різниці між показниками заломлення серцевини і оболонки важливу роль відіграє профіль показника заломлення серцевини, тобто залежність величини показника заломлення від радіуса поперечного перерізу оптоволокна. Якщо показник заломлення залишається однаковим у всіх точках перетину серцевини, такий профіль називається ступінчастим, якщо плавно зменшується від центральної осі до оболонці, – градієнтним. Зустрічаються і більш складні профілі. Профіль показника заломлення має великий вплив на характеристики оптичного волокна як середовища передачі інформації.

Серед великого числа характеристик та параметрів, що описують оптичне волокно як середовище передачі даних, відзначимо найбільш важливі – загасання (втрати) і дисперсію.
Загасання – це поступове ослаблення потужності оптичного сигналу по мірі поширення по оптоволокну, викликане різними фізичними процесами. Величина загасання має складну залежність від довжини хвилі випромінювання і вимірюється в дБ/км Загасання служить одним з головних факторів, що обмежують дальність передачі сигналу по оптичному волокну (без ретрансляції).
Дисперсія – це розширення оптичного імпульсу, що передається по оптоволокну, у часі. При високій частоті проходження імпульсів таке розширення на деякій відстані від передавача призводить до перекриття сусідніх імпульсів і помилкового прийому даних. Дисперсія обмежує як дальність, так і швидкість передачі інформації.

Різновиди та класифікація оптичних волокон
Розповівши (або нагадавши) читачеві про цих базових поняттях, перейдемо до того, заради чого все це викладався, – до класифікації оптичних волокон. Існує величезна кількість різних оптичних волокон, тому відразу зробимо застереження, що ми не будемо торкатися так званих спеціальних волокон, що використовуються в наукових дослідженнях і різних специфічних застосуваннях, а також волокон, які поки що є скоріше технологіями майбутнього. Ми зосередимося на тих типах оптичних волокон, які вже сьогодні широко використовуються в телекомунікаціях. А таких чотири типу.
Основними критеріями, за якими проводиться класифікація, можна вважати наступні два:
  • Матеріал, з якого виготовляється серцевина і оптична оболонка. Оптоволокно може виготовлятися не тільки з кварцового скла, але і з інших матеріалів, зокрема з полімерів.
  • Кількість поширюються мод. В залежності від геометричних розмірів серцевини і оболонки і величини показника заломлення в оптичному волокні може розповсюджуватися лише одна або велика кількість просторових мод. Тому всі оптичні волокна поділяють на два великих класи: одномодові та багатомодові.
Таким чином, можна виділити чотири великих класу оптичних волокон (посилання ведуть до відповідних статей на infiber.ru):
  1. Кварцове багатомодове волокно.
  2. Кварцове одномодовое волокно.
  3. Пластикове, або полімерне, оптичне волокно (POF).
  4. Кварцове волокно з полімерною оболонкою (HCS).
На малюнку нижче зображені поперечні перерізи цих чотирьох типів волокон (співвідношення розмірів збережено).

Поговоримо докладніше про кожен з цих типів.
1. Кварцове багатомодове волокно
Кварцові волокна є найвідомішим і найпоширенішим типом оптичних волокон. Оскільки багатомодові і одномодові кварцові волокна сильно відрізняються за своїми характеристиками і застосування, зручніше розглянути їх окремо.
Багатомодове кварцове волокно має і серцевину, і оптичну оболонку з кварцового скла. Як правило, таке оптоволокно має градієнтний профіль показника заломлення. Це необхідно, щоб знизити вплив межмодовой дисперсії. Як було показано вище, моди розповсюджуються в оптичному волокні за різними траєкторіями, а значить, час поширення кожної моди також відрізняється. Це призводить до розширенню переданого імпульсу. Градієнтний профіль зменшує різницю в часі поширення мод. За рахунок плавної зміни показника заломлення моди вищого порядку, які потрапляють у волокно під великим кутом і поширюються за більш довгим траєкторіях, мають і більшу швидкість, ніж ті, які поширюються поблизу серцевини. Повністю усунути вплив межмодовой дисперсії неможливо, тому багатомодове волокно поступається одномодовому по дальності і швидкості передачі інформації.

Робітниками для багатомодового волокна зазвичай є довжини хвиль 850 і 1300 (1310) нм. Типове загасання на цих довжинах хвиль – 3,5 і 1,5 дБ/км відповідно.
Класифікація. Кварцове багатомодове волокно було першим типом волокна, яке стало широко застосовуватися на практиці. Поширення отримали два стандартних розміру багатомодових волокон (діаметр серцевини/оболонки): 62,5/125 мкм і 50/125 мкм.
Загальноприйнята класифікація багатомодових кварцових волокон приводиться в стандарті ISO/IEC 11801. Цей стандарт виділяє чотири класи багатомодових волокон (OM – Optical Multimode), що відрізняються шириною смуги пропускання (параметр, що характеризує межмодовую дисперсію і визначає швидкість передачі інформації):
  • OM1 – стандартне багатомодове волокно 62,5/125 мкм;
  • OM2 – стандартне багатомодове волокно 50/125 мкм;
  • OM3 – багатомодове волокно 50/125 мкм, оптимізоване для роботи з лазером;
  • OM4 – багатомодове волокно 50/125 мкм, оптимізоване для роботи з лазером, з поліпшеними характеристиками.
Фраза «оптимізоване для роботи з лазером» нагадує про те, що з самого початку для передачі сигналу по багатомодовому волокну використовувалися світлодіоди (LED). З появою напівпровідникових лазерів стали розроблятися волокна більш досконалої структури, названі оптимізованими для роботи з лазерами.
Застосування. Багатомодове волокно застосовується в непротяженных лініях зв'язку (зазвичай сотні метрів), причому волокно 50/125 мкм (OM2, OM3, OM4) використовується в основному в локальних мережах і дата-центрах, а волокно 62,5/125 мкм часто застосовується в індустріальних мережах. У гігабітних додатках рекомендується застосовувати волокна класів OM3 і OM4. Причина, по якій багатомодове волокно досі не витіснене одномодовим волокном, що володіє кращими характеристиками, полягає в меншій вартості компонентів лінії (активне обладнання, сполучні вироби). Ціна знижується із-за більшого діаметра серцевини багатомодового волокна, і, відповідно, менших вимог до точності виготовлення і монтажу компонентів.
2. Кварцове одномодовое волокно
У одномодовому волокні, як випливає з назви, поширюється тільки одна (основна) мода випромінювання. Це досягається за рахунок дуже маленького діаметру серцевини (зазвичай 8-10 мкм). Діаметр оптичної оболонки такий же, як і у багатомодового волокна – 125 мкм. Відсутність інших мод позитивно позначається на характеристиках оптоволокна (немає межмодовой дисперсії), збільшуючи дальність передачі без ретрансляції до сотень кілометрів і швидкість до десятків Гбіт/с (наводимо стандартні значення, а не ті «рекордні», які досягаються в дослідницьких лабораторіях). Загасання в одномодовому волокні також вкрай низька (менш ніж 0,4 дБ/км).

Діапазон довжин хвиль для одномодового волокна досить широкий. Зазвичай передача здійснюється на довжинах хвиль 1310 і 1550 нм. При використанні технології спектрального ущільнення каналів використовуються і інші довжини хвиль (про це трохи нижче).
Класифікація. Асортимент кварцевих одномодових волокон досить різноманітний. Міжнародний стандарт ISO/IEC 11801 і європейський EN 50173 за аналогією з многомодовым волокном виділяють два великих класи одномодових волокон: OS1 і OS2 (OS – Optical Single-mode). Однак у зв'язку з існуючою плутаниною, пов'язаної з цим поділом, не рекомендуємо орієнтуватися на цю класифікацію. Набагато більш інформативними є рекомендації ITU-T G. 652-657, виділяють більше типів одномодових волокон.
У таблиці нижче наведена коротка характеристика цих волокон та їх застосування. Але перш – пара коментарів. Межмодовая дисперсія, відсутня в одномодовому волокні, є не єдиним механізмом розширення оптичного імпульсу. В одномодовому волокні на перший план виходять інші механізми, перш за все, хроматична дисперсія, пов'язана з тим, що жоден джерело випромінювання (навіть лазер) не випускає суворо монохроматичное випромінювання. При цьому існує довжина хвилі, при якій коефіцієнт хроматичної дисперсії дорівнює нулю. У більшості випадку робота на цій довжині хвилі виявляється кращою, але не завжди.









Стандарт Заголовок Опис Застосування G. 652 Одномодовое волокно з незміщеної дисперсією Найбільш поширений тип одномодового волокна з точкою нульової дисперсії на довжині хвилі 1300 нм. Розрізняють 4 підкласу (A, B, C і D). Волокна G. 652.C і G. 652.D відрізняються низьким загасанням поблизу «водного піку» («водним піком» називають область великого затухання в стандартному волокні близько довжини хвилі 1383 нм). Стандартні області застосування. G. 653 Одномодовое волокно із зміщеною нульовою дисперсією Точка нульової дисперсії зміщена на довжину хвилі 1550 нм. Передача на довжині хвилі 1550 нм. G. 654 Одномодовое волокно зі зміщеною довжиною хвилі відсічення Довжина відсічення (мінімальна довжина хвилі, при якій волокно поширює одну моду) зміщена в область довжин хвиль близько 1550 нм. Передача на довжині хвилі 1550 нм на дуже великі відстані. Магістральні підводні кабелі. G. 655 Одномодовое волокно з ненульовою зміщеною дисперсією Це волокно має невелику, але не нульове значення дисперсії в діапазоні 1530-1565 нм (ненульова дисперсія зменшує нелінійні ефекти при одночасному поширенні декількох сигналів на різних довжинах хвиль). Лінії передачі зі спектральним ущільненням каналів (DWDM). G. 656 Одномодовое волокно c ненульовою зміщеною дисперсією для широкосмугової передачі Ненульова дисперсія в діапазоні довжин хвиль 1460-1625 нм. Лінії передачі зі спектральним ущільненням каналів (CWDM/DWDM). G. 657 Одномодовое волокно, не чутливе до втрат на макроизгибе Волокно з зменшеним мінімальним радіусом вигину і з меншими втратами на вигині. Виділяють кілька підкласів. Для прокладання в обмеженому просторі.
Застосування. Одномодовое кварцове волокно, безумовно, є найпоширенішим типом оптоволокна. З його допомогою можна організувати передачу високошвидкісного сигналу на дуже великі відстані, а застосування технології спектрального ущільнення каналів (CWDM/DWDM) дозволяє в рази збільшити пропускну здатність лінії зв'язку. Одномодовое волокно часто застосовується і на коротких дистанціях, наприклад, в локальних мережах.
3. Пластикове оптичне волокно (POF)
Про кварцовому оптичному волокні знають практично всі. Але крім нього існує ще два типи оптичних волокон, що заслуговують уваги. Насамперед, мова йде про пластиковому, або полімерному, оптичному волокні (POF – Plastic/Polymer Optical Fiber). Це багатомодове волокно великого діаметру зі східчастим показником заломлення, серцевина і оболонка якого виготовлені з полімерних матеріалів, насамперед, з поліметилметакрилату (по-простому, оргскла). Найчастіше можна зустріти POF з співвідношенням діаметрів серцевини і оболонки 980/1000 мкм.
У порівнянні з кварцовим волокном POF має дуже великі втрати (100-200 дБ/км). З іншого боку, мінімум втрат знаходиться у видимому діапазоні (520, 560 і 650 нм). Це, а також дуже великий розмір поперечного перерізу, що дозволяє використовувати в якості джерел випромінювання дешеві світлодіоди. Великий діаметр також значно спрощує процес роботи з пластиковим волокном. Процес виготовлення патч-корду (оптичного шнура) вимагає менших навичок і часу, а всі необхідні пристосування мають значно меншу вартість. На малюнку нижче представлені пластикові патч-корди з коннекторами сімейства Versatile Link (VL) від компанії Broadcom Limited (раніше Avago Technologies).

Таким чином, головні переваги пластикового волокна – це низька вартість компонентів і простота роботи з ним. При цьому POF притаманні всі ті особливості оптичного волокна, які дають йому переваги перед іншими видами зв'язку. У їх числі несприйнятливість до електромагнітного випромінювання та ізолюючі властивості (захист від високих напруг), менші габарити і вага.
Класифікація. Хоча випускаються пластикові волокна відрізняються за розміром, використовуваних полімерів, профілем показника заломлення та іншим параметрам, переважну частину всіх пластикових волокон становить POF 980/1000 мкм з поліметилметакрилату.
Застосування. Область застосування POF – короткі низькошвидкісні лінії зв'язку (до 200 Мбіт/с на кілька десятків метрів). Переваги POF проявляються в тих випадках, коли простота експлуатації і низька вартість лінії зв'язку важливіше, ніж характеристики самої передачі. POF часто використовується в промислових лініях зв'язку, автомобільної електроніки, медицини та різного роду датчиках. Крім того, пластикове волокно може з успіхом застосовуватися і в різних спеціальних корпоративних мережах передачі даних, наприклад, для зв'язку в межах квартири або офісу (до речі, ця область застосування в Росії поки тільки починає розвиватися).
4. Кварцове волокно з полімерною оболонкою (HCS)
І, нарешті, останній тип оптичного волокна, з яким ми хотіли б познайомити читачів, являє собою щось середнє (у всіх відношеннях) між кварцовим і пластиковим волокном. У цього типу волокна багато назв, але ми звикли називати його кварцовим волокном з полімерної (жорсткої) оболонкою і позначати HCS (Hard Clad Silica). Також поширена абревіатура PCS (Polymer Clad Silica).
HCS-волокно – це багатомодове оптичне волокно великого діаметру з серцевиною з кварцового скла і оболонкою з полімерного матеріалу. Найбільше поширення в телекомунікаціях отримало HCS-волокно з діаметром серцевини і оболонки 200/230 мкм і східчастим показником заломлення. В інших областях, таких як медицина, наукові дослідження, можуть використовуватися HCS-волокна з великим діаметром серцевини (300, 400, 500 мкм...).

За своїм оптичним характеристикам HCS-волокно також займає проміжне положення між кварцовим оптоволокном і POF. Мінімум загасання стандартного HCS-волокна припадає на довжину хвилі 850 нм і складає одиниці-десятки дБ/км Для роботи з HCS-волокном часто можна використовувати ті ж активні компоненти, що і для POF (з довжиною хвилі 650 нм) або для багатомодового кварцового волокна (світлодіоди з довжиною хвилі 850 нм).
Досить великий розмір HCS-волокна, як і у випадку POF, спрощує і здешевлює процес роботи з ним.
Класифікація. Як вже згадувалося, в телекомунікаціях в основному використовується HCS-волокно 200/230 мкм.
Застосування. В цілому, області застосування HCS схожі з областями застосування POF, з тією лише різницею, що відстань передачі при використанні HCS-волокна збільшується до кількох кілометрів (завдяки меншій загасання).
Висновок.
Підведемо підсумки. Як бачимо, найчастіше вибір оптичного волокна для створення лінії зв'язку не обмежується вибором одномод VS многомод. Асортимент оптичних волокон досить різноманітний, і в залежності від ситуації найкращим рішенням може виявитися використання того чи іншого типу волокна з тих, що були описані в даній статті.
Наостанок дякуємо всіх читачів за увагу. Сподіваємося, що стаття виявилася не тільки пізнавальної, але і корисною (чи виявиться такою в майбутньому). З нетерпінням чекаємо коментарів і питань.
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.