Ні для кого не секрет, що глобальне зростання користувачів мережі інтернет та розвиток сервісів і технологій побудованих на його основі призводить до значного збільшення обсягів трафіку інформації, що передається лініями зв’язку. Ця тенденція багато в чому сприяла пошуку більш ефективних способів та технологій передачі інформації. Зараз волоконно-оптичні лінії передачі (скорочено ВОЛП) все більше і більше приходять на заміну «мідним» лініям передачі даних.
Так, ще у 1966 році, групою вчених, були сформульовані вимоги на систему передачі інформації з оптоволокна, і показано можливість створення оптоволокна із загасанням менше 20 дБ/км.
Оптичне волокно – це нитка з оптично прозорого матеріалу (скло, пластик), що використовується для перенесення світла за допомогою повного внутрішнього відображення.
Але тільки у 1970 році співробітникам компанії Corning вдалося отримати оптоволокно з низьким згасанням – до 16 дБ/км, а через кілька років – до 4 дБ/км. Волокно було багатомодовим і ним передавалося кілька мод світла. До 1983 року було освоєно випуск одномодових волокон, якими поширюється одна мода.
Мода – це стабільний стан електромагнітного поля всередині світловода.
Умовно моду світловода іноді визначають і як траєкторію, якою поширюється світло.
* Поняття «одномодовості» носить дещо умовний характер, тому що при зменшенні довжини хвилі випромінювання одномодовий світловод стає багатомодовим.
Скляні оптичні волокна виготовляються з кварцового скла, однак, наприклад, для далекого інфрачервоного діапазону можуть використовуватися інші матеріали.
В даний час завдяки вигідним механічним властивостям і низькій вартості отримали широке застосування пластикові оптичні волокна. Серцевину в такому світловоді виготовляють з поліметилметакрилату (PMMA), а оболонку – з фторованих PMMA (фторполімерів).
Структура оптоволоконного кабелю
Оптичне волокно, зазвичай, має круглий переріз і складається з двох частин – серцевини та оболонки. Для забезпечення повного внутрішнього відображення абсолютний показник заломлення серцевини трохи вищий за показник заломлення оболонки. Серцевина виготовляється із чистого матеріалу (скла або пластику) і має діаметр 9 мкм (для одномодового волокна), 50 або 62,5 мкм (для багатомодового волокна). Оболонка має діаметр 125 мкм і складається з матеріалу із легуючими добавками, що змінюють показник заломлення.
Загальні принципи поширення світла в одномодовому та багатомодовому волокні
Світлове випромінювання, що формується передавачем, вводиться в скловолокно двома способами (Рис 1):
• під нульовим кутом – одномодове волокно. Утворюється єдина мода, що розповсюджується строго по осі серцевини без відбиття від межі поділу середовищ;
• під невеликим кутом – багатомодове волокно. Виникають кілька мод, що рухаються різноманітними траєкторіями з багаторазовими перевідображеннями від оболонки і досягають приймача неодночасно.
Рис 1. Введення світлового випромінювання у скловолокно
Під модою мається на увазі траєкторія переміщення світлового променя оптичним світловодом. Моди характеризуються фазовою та груповою швидкістю. Групова – це швидкість перенесення енергії, а фазова – швидкість руху хвильової фази.
Основні типи спотворень оптичного сигналу та способи їх зменшення
Оптичний сигнал, переданий по оптоволоконному світловоду, не тільки згасає, а й спотворюється за рахунок дисперсії різного типу.
Під дисперсією σ в оптиці розуміють залежність фазової швидкості світлових хвиль від частоти υф=υф(ω). Це, так саме, стосується і показника заломлення n=n(ω).
Результатом дисперсії в оптоволокні є розсіювання в часі спектральної або модової складової оптичного сигналу. Це призводить до збільшення тривалості вихідних імпульсів, і, відповідно, інтервалів між сигналами, що передаються, що значно обмежує пропускну здатність каналу.
Існують три види дисперсії:
• міжмодова – виникає через різний час проходження мод по волокну. Актуальна лише для багатомодового оптоволокна;
Рис 2. Міжмодова дисперсія у багатомодовому оптоволокні.
Міжмодова дисперсія – виникає зазвичай у багатомодовому оптоволокні, яке дозволяє передавати одночасно кілька сотень дозволених світлових мод, що вводяться в оптоволокно під різними кутами (рис 2). Всі дозволені моди мають різні траєкторії поширення і, відповідно, різний час поширення по оптичному волокну. Тому головний недолік багатомодового оптоволокна – великий обсяг модової дисперсії, що обмежує смугу пропускання, і, відповідно, дальність передачі сигналів, що призводить до розширення імпульсу на виході.
• хроматична – з’являється через залежність групової швидкості моди від довжин хвиль;
Рис 3. Хроматична дисперсія у одномодовому оптоволокні.
Хвилі різної довжини рухаються з різними швидкостями вздовж оптоволокна, навіть в одній і тій же моді.
Як правило, джерело не може випромінювати одну довжину хвилі, він випромінює спектр хвиль. Діапазон довжин хвиль Δλ називається спектральною шириною джерела. Світловипромінюючий діод (СІД) характеризується більшою спектральною шириною Δλ≈35нм, а лазерний діод (ЛД) – меншою: від 2 до 3нм – багатомодовий діод та від 0,01 до 0,02нм – одномодовий.
В області 850нм більш довгі хвилі (червоніші) рухаються швидше порівняно з більш короткими (синішими) довжинами хвиль (рис 4). Довжина стрілок відповідає швидкості хвиль, отже, довша стрілка відповідає швидшому руху. Хвилі довжиною 850нм рухаються швидше оптичним волокном, ніж хвилі довжиною 845нм.
Рис 4 – Швидкість поширення світла різної довжини хвилі
В області 1550нм ситуація змінюється: більш короткі хвилі рухаються швидше порівняно з довшими; хвиля довжиною 1550нм рухається повільніше, ніж хвиля довжиною 1540нм. У певній точці спектра відбувається збіг, при цьому більш сині і червоні хвилі рухаються з тією самою швидкістю. Цей збіг швидкостей відбувається в області 1300нм.
Можна зробити висновок, що для зменшення хроматичної дисперсії потрібно, з одного боку, переходити від оптичних джерел світлодіодного типу до лазерних, а з іншого боку, необхідно замінити джерела з довжинами 850 нм хвиль на джерела з довжинами хвиль порядку 1300 нм -для використання ефекту нульової дисперсії .
• поляризаційна — виникає через відмінність швидкостей ортогонально поляризованих компонентів моди в одномодовому скловолокні, що призводить до їх поділу на виході.
Рис 5. Поляризаційна модова дисперсія у одномодовому оптоволокні.
В одномодовом волокні насправді може поширюватися не одна мода, а дві фундаментальні моди – дві перпендикулярні поляризації вихідного сигналу (рис 5). Головна причина появи поляризаційної моди є нециркулярність (овальність) профілю серцевини одномодового волокна, що виникає в процесі виготовлення або експлуатації волокна. При виготовленні волокна лише суворий контроль дозволяє досягти низьких значень цього параметра.
В ідеальному волокні, в якому відсутня овальність, дві моди поширювалися б з тією самою швидкістю. Однак, на практиці, волокна мають неідеальну геометрію, що призводить до різної швидкості поширення двох складових поляризаційних мод.
Через свій невеликий розмір поляризаційна модова дисперсія може з’являтися виключно в одномодовому волокні, причому тоді, коли використовується передача широкосмугового сигналу (смуга пропускання 2,4Гбіт/с і вище) з дуже вузькою спектральною смугою випромінювання (1нм і менше). У цьому випадку поляризаційна модова дисперсія стає порівнянною з хроматичною модовою дисперсією.
Негативний вплив дисперсії нейтралізується за допомогою виготовлення оптоволокна з градієнтним профілем показника заломлення:
Багатомодове оптичне волокно (типові розміри серцевина/оболонка 50/125 мкм і 62,5/125 мкм) дозволяє передавати одночасно кілька сотень дозволених світлових мод, що вводяться в оптоволокно під різними кутами. Всі дозволені моди мають різні траєкторії поширення і, відповідно, різний час поширення по оптичному волокну. Тому головний недолік багатомодового оптоволокна – велика величина модової дисперсії, що обмежує смугу пропускання і, відповідно, дальність передачі сигналів.
Рис. 6. Багатомодове волокно із ступінчастим профілем показника заломлення
Для зменшення модової дисперсії та збереження широкої смуги пропускаючи, на практиці застосовують оптичні волокна з градієнтним (плавно змінним) показником заломлення серцевини кабелю.
На відміну від стандартних багатомодових оптичних волокон, мають постійний профіль заломлення матеріалу ядра, таке оптоволокно має показник заломлення N, який плавно зменшується від центру до оболонки (рис. 7).
Рис. 7. Багатомодове волокно з градієнтним профілем показника заломлення
Рис. 8. Одномодове волокно із ступінчастим профілем показника заломлення
Одномодове оптичне волокно (діаметр 8/125 мкм для довжин хвиль 1,3-1,55 мкм) сконструйовано таким чином, що в ядрі оптоволокна може поширюватися лише одна, основна мода (рис. 5в). Якщо при поширенні світла по многомодовому волокну, зазвичай, переважає модова дисперсія, то одномодовому волокну притаманні лише останні типи дисперсії. Це забезпечує найвищу пропускну здатність одномодових оптичних волокон у порівнянні з багатомодовими.
Стандарти та класифікація оптоволоконних кабелів
Специфікації різних видів та категорій волокон містяться у розроблених міжнародних стандартах.
Існує кілька організацій, які відповідають за міжнародну стандартизацію в галузі оптоволоконного зв’язку.
Одна з них це технічний комітет 86 Міжнародної електротехнічної комісії (IEC TC86), який визначив такі типи типів:
Багатомодові волокна, наприклад A1a, A1b, A1d…, далі розділені на групи (наприклад, A1a.1…)
Одномодові волокна, наприклад, B1, B4, B6…
Однак більш популярне маркування ґрунтується на скороченнях назв:
OM (Optic Multi-mode ) – оптичний багатомодовий
OS (Optic Single-mode ) – оптичний одномодовий
Нариклад: OM1, OM2, OM3, OM4, OS1, OS2.
Позначення ОМ набула широкого поширення, на відміну маркування OS. У випадку одномодових варіантів найпоширенішими є назви, що використовуються іншою міжнародною організацією, ITU (Міжнародний союз електрозв’язку), зокрема, відділом, що займається стандартизацією рішень для телекомунікації (ITU-T).
Специфікації ITU-T широко відомі та використовуються у відповідних галузевих призначеннях. «Характеристики середовища передачі та оптичних систем» розробленних ITU-T входять до стандарту G.600-G.699, а оптичні волокна описані у стандарті G.650-G659. Кожна рекомендація призначена для певного типу волокна.
Нижче наводиться зведення вибраних стандартів для волоконної оптики:
Стандарти ISO/IEC:
• IEC – 60793 параметри оптичних волокон та кабелів:
– IEC – 60793-2-10 застосовується до багатомодових оптичних волокон типів А1a, А1b та A1d.
– IEC – 60793 -2-50 застосовується до багатомодових оптичних волокон 9/125 типів В1.1, В1.2, В1.3, В2, В4, В5.
• IEC – 60794-2 – вимоги до кабелів для внутрішньої установки.
• IEC – 60794-3 – вимоги до кабелів для зовнішньої установки.
• ISO / IEC – 11801 – визначає телекомунікаційні кабельні системи загального призначення (структуровані кабелі), включаючи кілька класів оптоволоконних з’єднань (ОМ1 – ОМ4 із зазначеною мінімальною модальною смугою пропускання на довжині хвилі 850 нм та OS1 з максимальним загасанням 1 дБ/км)
Рекомендації ITU-T:
• ITU-T G.650.1 та G.650.2 – визначення та методи тестування лінійних детермінованих атрибутів одномодових волокон та кабелів.
• ITU-T G.651.1 – характеристики багатомодового волоконно – оптичного кабелю з градієнтним індексом заломлення 50/125 мкм та ін.
• ITU-T G.652 – характеристики одномодового оптичного волокна та кабелю (9/125 мкм, чотири версії: A, B, C, D).
• ITU-T G.653 – характеристики одномодового оптичного волокна та кабелю зі зміщеною дисперсією (DS-SMF).
• ITU-T G.654 – характеристики одномодового оптичного волокна та кабелю зі зміщеним відсіканням (CS-SMF).
• ITU-T G.655 – характеристики одномодового оптичного волокна та кабелю з ненульовою зміщеною дисперсією (NZDS-SMF).
• ITU-T G.656 – характеристики волокна та кабелю з ненульовою дисперсією для широкосмугової оптичної передачі.
• ITU-T G.657 – характеристики одномодового оптичного волокна та кабелю нечутливого до втрат на згині для мережі доступу.
Рекомендації ITU-T базуються на стандартах IEC, однак у деяких версіях можуть бути невеликі відмінності.
Варто згадати ще одну організацію, що поєднує значну частину телекомунікаційної галузі – Асоціацію телекомунікаційної індустрії (TIA). Діяльність та документи організації найбільш відомі у США, деякі стандарти опубліковані раніше, ніж у Європі.
Деякі порівняння різних типів багатомодових кабелів (MMF) наведені нижче (таб. 1):
Таб. 1. Порівняння типів багатомодових оптичних кабелів
– Кабель OM1 зазвичай поставляється з помаранчевою оболонкою і має розмір серцевини 62,5 мікрометра (мкм). Він може підтримувати 10 Гігабіт Ethernet на довжині до 33 метрів. Це найчастіше використовується для 100-мегабітних Ethernet додатків.
– У OM2 також рекомендований колір оболонки помаранчевого кольору, однак діаметр перерізу ядра становить 50 мкм замість 62,5 мкм. OM2 підтримує 10 Gigabit Ethernet на довжині до 82 метрів, але найчастіше використовується для додатків 1 Gigabit Ethernet.
– Волокно OM3 має рекомендований колір оболонки кольору морської хвилі. Як і OM2 його діаметр становить 50 мкм. Швидкість передачі 10 Gigabit Ethernet підтримується до 300 метрів. Крім того, OM3 здатний підтримувати 40 Gigabit та 100 Gigabit Ethernet на відстані до 100 метрів. 10 Gigabit Ethernet – це найбільш поширене використання.
– OM4 Це подальше покращення OM3. Він також використовує ядро 50 мкм та колір оболонки кольору морської хвилі. 10 Gigabit Ethernet підтримується на довжині до 550 метрів та 100 Gigabit Ethernet на довжині до 150 метрів.
– Волокно OM5, також відоме як WBMMF (широкополосне багатомодове волокно), є найновішим типом багатомодового волокна, розробленого для підтримки технології SWDM. Ця технологія короткохвильового спектрального мультиплексування (SWDM) використовує чотири довжини хвилі в діапазоні 850-953нм для передачі чотирьох сигналів по одному волокну. Тому ОМ5 дозволяє не тільки забезпечити передачу 40 Гбіт/с і 100 Гбіт/с., але й досягне максимальної пропускної спроможності в класі мультимодового оптоволокна – мінімальна швидкість передачі ОМ5 досягає 28 Гбіт/с у вікні 850-953 нм. Можливо тому колір куртки волокна OM5 був обраний відмінним від інших – його забарвлення салатове.
І OM1, і OM2 працюють з обладнанням на основі світлодіодів, яке може передавати по кабелю сотні режимів передачі сигналу, що випромінюється, в той час як OM3, OM4 і ОМ5 оптимізовані для обладнання на основі лазера, наприклад VCSEL- «Поверхнево-випромінюючий лазер з вертикальним резонатором» – різновид діодного напівпровідникового лазера, який використовує меншу кількість режимів передачі. Світлодіоди не можуть бути включені / вимкнені досить швидко для підтримки додатків з більш високою пропускною здатністю, у той час як VCSEL здатні до модуляції більше 10 Гбіт / с і використовуються в багатьох високошвидкісних мережах. З цієї причини OM3, OM4 та ОМ5 є волокнами, включеними до стандартів 40G та 100G Ethernet. OM1 та OM2 зазвичай використовуються для додатків не більше 1G Ethernet.
Типи одномодових волокон (SMF): OS1 та OS2.
Одномодове волокно поділяють на два типи – OS1 та OS2, які відповідають специфікаціям кабелю SMF. Одномодові волокна OS1 відповідають стандартам ITU-T G.652A/B/C/D. Однак OS2 відповідають лише ITU-T G.652C або ITU-T G.652D.
Крім стандартів, основною відмінністю між одномодовим волокном OS1 та OS2 є кабельна конструкція. Волокно OS1 – це кабель із щільним буфером, призначеним для використання у внутрішніх застосуваннях (наприклад, у кампусах чи дата-центрах), де максимальна відстань становить не більш 10 км.
Оптичне волокно OS2 – це loose tube кабель, розроблений для використання у зовнішніх умовах (наприклад, на вулиці, під землею та в місцях пролягання магістральних мереж), де максимальна відстань становить до 200 км. Внутрішнє волокно OS1 має більші втрати на кілометр, ніж зовнішнє волокно OS2. Як правило, максимальне послаблення для OS1 становить 1,0 дБ/км, а для OS2 – 0,4 дБ/км. Обидва оптоволоконні кабелі OS1 і OS2 дозволяють використовувати гігабітну мережу до 10G Ethernet. Крім того, волокно OS2 може підтримувати 40G та 100G Ethernet. OS1 набагато дешевше, ніж OS2. У наведеній нижче таблиці представлені основні характеристики та відмінності між OS1 та OS2.
Порівняння двох типів одномодових кабелів (SMF) наведені нижче (таб. 2):
Таб. 2. Порівняння типів одномодових оптичних кабелів
З вищенаведених характеристик одномодових та багатомодових оптичних волокон можемо зазначити їх основні переваги та недоліки:
Переваги одномодового волокна
– мінімальна величина модової дисперсії дозволяє одержати найбільшу пропускну здатність в одномодовому режимі.
– Внаслідок малого згасання – до 0,25 dB/км, відстань передачі у одномодового волокна значно перевищує допустиму відстань передачі для багатомодових ліній.
Таким чином, одномодове оптоволокно може передавати сигнали з набагато вищими швидкостями і на відстані до 50 разів більші, ніж багатомодове волокно.
Однак поряд з перевагами у Одномодової передачі є суттєві Недоліки, які обмежують область її застосування на практиці:
– В одномодове волокно важче ввести випромінювання через малі розміри світловодної жили (8-10 мкм), тому одномодові волокна складно зрощувати з малими втратами.
– Одномодові джерела випромінювання в кілька разів дорожчі за багатомодові, оскільки зазвичай використовують твердотільні лазерні діоди, а також технології передачі та прийому даних значно складніше і точніше.
Резюме
Отже, одномодовое волокно оптимально використовувати у магістральних ВОЛП і будівництві високошвидкісних інформаційних мереж будь-якого масштабу. Мультимодове оптоволокно доцільно застосовувати на невеликих відстанях під час створення локальних кабельних систем.