Разница между одно- и многомодовыми оптическими кабелями. Одномодовый оптический кабель для любых условий прокладки

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).

Типы оптических волокон

Существует два типа оптических волокон: многомодовые (ММ ) и одномодовые (SM ), отличающиеся диаметрами световедущей сердцевины. Многомодовое волокно , в свою очередь, бывает двух типов: со ступенчатым и градиентным профилями показателя преломления по его сечению.

Многомодовое оптическое волокно со ступенчатым показателем преломления

В ступенчатом оптоволокне могут возбуждаться и распространяться до тысячи мод с различным распределением по сечению и длине оптоволокна. Моды имеют различные оптические пути и, следовательно, различные времена распространения по оптоволокну, что приводит к уширению импульса света по мере его прохождения по оптоволокну. Это явление называется межмодовой дисперсией и оно непосредственно влияет на скорость передачи информации по оптоволокну. Область применения ступенчатых оптоволокон короткие (до 1 км) линии связи со скоростями передачи информации до 100 Мбайт/с, рабочая длина волны излучения, как правило, 0,85 мкм.

Многомодовое оптическое волокно с градиентным показателем преломления

Отличается от ступенчатого тем, что показатель преломления изменяется в нём плавно от середины к краю. В результате моды идут плавно, межмодовая дисперсия меньше.

Градиентное оптоволокно в соответствии со стандартами имеет диаметр сердцевины 50 мкм и 62,5 мкм, диаметр оболочки 125 мкм. Оно применяется во внутриобъектовых линиях длиной до 5 км, со скоростями передачи до 100 Мбайт/c на длинах волн 0,85 мкм и 1,35 мкм.

Одномодовое оптическое волокно

Стандартное одномодовое оптическое волокно имеет диаметр сердцевины 9 мкм и диаметр оболочки 125 мкм

В этом оптоволокне существует и распространяется только одна мода (точнее две вырожденные моды с ортогональными поляризациями), поэтому в нем отсутствует межмодовая дисперсия, что позволяет передавать сигналы на расстояние до 50 км со скоростью до 2,5 Гбит/с и выше без регенерации. Рабочие длины волн λ1 = 1,31 мкм и λ2 = 1,55 мкм.

Окна прозрачности оптоволокна.

Говоря об окнах прозрачности оптического волокна, обычно рисуют такую картинку.

Окна прозрачности оптоволокна

В настоящее время оптоволокно с такой характеристикой уже считается устаревшим. Достаточно давно освоен выпуск оптоволокна типа AllWave ZWP (zero water peak, с нулевым пиком воды), в котором устранены гидроксильные ионы в составе кварцевого стекла. Такое стекло имеет уже не окно, а прямо таки проём в диапазоне от 1300 до 1600 нм.

Все окна прозрачности лежат в инфракрасном диапазоне, то есть свет, передающийся по ВОЛС, не виден глазу. Стоит заметить, что в стандартное оптоволокно можно ввести и видимое глазом излучение. Для этого применяют либо небольшие блоки, присутствующие в некоторых рефлектометрах, либо даже слегка переделанную китайскую лазерную указку. С помощью таких приспособлений можно находить переломы в шнурах. Там, где оптоволокно сломано, будет видно яркое свечение. Такой свет быстро затухает в волокне, так что использовать его можно только на коротких расстояниях (не более 1 км).

Гибкость оптического волокна

Фотография, надеюсь, успокоит тех, кто привык видеть стекло бьющимся и хрупким.

Оптоволокно. Гибкость оптоволокна

Здесь изображено стандартное одномодовое волокно. То самое, 125 мкм кварцевого стекла, использующееся повсеместно. Из-за лакового покрытия оптоволокно способно выдерживать изгибы радиусом в 5 мм (хорошо видно на рисунке). Свет, а значит и сигнал через такой изгиб, увы, уже не проходит.

Информация о расшифровке маркировки оптоволоконных кабелей размещавшееся в этом месте размещена на страницах:

Оптоволокно

Существует два вида кабелей в волоконно-оптических линиях связи. А именно: кабель волоконно-оптический многомодовый и, соответственно, одномодовый.

Как следует из названия, по архитектуре одномодовый кабель не позволяет пропустить через себя более одного луча - моды. Таким образом, разница между одномодовым и многомодовым оптическим кабелем заключается в способе распространения по ним оптического излучения. Размер сердечника световода самый значительный признак, который может повлиять на то, одномодовый оптический кабель купить или какой-либо другой.

Меньший диаметр сердечника обеспечивает и меньшую модовую дисперсию, и как результат - возможность передачи информации на большие расстояния без использования роутеров, повторителей и ретрансляторов. Негативным фактором является то, что одномодовое волокно и электронные компоненты, которые обеспечивают передачу, прием и трансформацию данных, а также поддерживающие на должном уровнетехнические характеристики оптических кабелей, весьма дорогостоящи.

Что касается конкретных размеров, то волокно одномодового волокна имеет очень тонкий сердечник, диметр которого составляет 10 мкм и меньше. Пропускная способность кабеля варьируется в пределах от 10 Гбитс и выше.

Многомодовый оптический кабель

В отличие от одномодового многомодовый кабель позволяет пропустить через себя n-ное количество модов. Такой проводник и может содержать независимые световые пути в количестве больше одного. Однако величина диаметра сердечника способствует тому, что свет с большей вероятностью будет отражаться от поверхности внешней оболочки сердечника, а это в свою очередь увеличивает модовую дисперсию. Рассеивание луча в кабеле приводит к сокращению расстояния передачи сигнала и необходимости увеличения количества ретрансляторов.

Любой инженер, закончивший проектирование волс, как конечный результат в сети получит скорость передачи данных на уровне 2.5 гбитс. Снова возникает вопрос: «Если я куплю кабель волоконно-оптический, то какой именно стоит выбрать?» Все зависит от технических показателей и необходимого качества связи. Например, можно приобрести кабель оптический 8 волокон. В таком проводнике, как и указано, 8 волокон, которые размещены в центральном модуле.

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 .

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