Основные типы оптического волокна и кабелей

В зависимости от структурных параметров различают многомодовые и одномодовые оптические волокна. Многомодовые оптические волокна имеют такое соотношение диаметров оболочки и сердцевины, которое позволяет передавать одновременно несколько сотен разрешенных световых мод, вводимых в волокно под разными углами в рамках числовой апертуры волокна. Все разрешенные моды имеют разные траектории распространения и, соответственно, различное время распространения по световоду. Главный недостаток многомодовых волокон – большая величина модовой дисперсии, ограничивающая как полосу пропускания, так и дальность работы цифровой системы передачи. Однако, многомодовые оптические волокна активно применяются в коротких ВОЛС, что объясняется дешевизной производства как волокна, так и источников излучения.

Одним из способов компенсации модовой дисперсии является применение оптических волокон с переменным профилем показателя преломления сердцевины кабеля. Наиболее распространены градиентные оптические волокна. В отличие от стандартных многомодовых световодов, имеющих постоянный профиль преломления материала сердцевины, такие световоды имеют, показатель преломления, плавно уменьшающийся от центра к оболочке. Вследствие изменения скорости распространения света происходит компенсация задержки распространения разных световых мод. В результате, такое оптическое волокно имеет во много раз меньшую дисперсию, и, как следствие, большую полосу пропускания. Главный недостаток градиентных оптических волокон, ограничивающий их применение – большая цена и сложность производства.

Одномодовое оптическое волокно сконструировано таким образом, что в сердцевине может распространяться только одна, основная мода. Именно поэтому подобные волокна имеют наилучшие характеристики, и наиболее активно используются в строительстве ВОЛС. Основные преимущества одномодовых оптических волокон – малое затухание, минимальная величина модовой дисперсии, широкая полоса пропускания (рисунок 77).

Рисунок 77- Многомодовое (а), градиентное (б) и одномодовое оптические волокна

Таблица 14- Основные характеристики оптических волокон

Тип оптического волокна	Диаметр оболочки волокна(мкм)	Диаметр сердцевины волокна(мкм)	Числовая апертура волокна	Номинальное затухание (дБ/км)	Ширина полосы пропускания (мГц/км)
Многомодовое со ступенчатым показателем преломления		50 62,5	0,242	2,5/0,81 2,8/0,6	До 400
Многомодовое градиентное		50 62,5	0,206	2,5/0,81 2,8/0,6	До 1000
Одномодовое		9 10	0,113	0,2/0,152 0,2/0,15	До 106

Рисунок 78- Конструкция многомодового оптического волокна

Рисунок 79- Конструкция одномодового оптического волокна

Сегментный и треугольный профили показателя преломления.

Уширение световых импульсов (дисперсия) после их прохождения через одномодовое ОВ при скорости передачи меньше 2,5 Гбит /с вызывается двумя ее составляющими: материальной и волноводной дисперсией. В диапазоне длин волн более 1,3 мкм эти два вида дисперсии в оптическом волокне имеют противоположные знаки. Для одномодового волокна со ступенчатым профилем сумма дисперсий равна нулю при длине волны вблизи 1,3 мкм. Нулевую дисперсию при других длинах волн можно получить изменяя величину волноводной дисперсии за счет изменения профиля. Это привело к созданию волокон с сегментным и треугольным профилем (рис.76,г и д), позволяющим в зависимости от его конкретной реализации получить волокна, у которых длина волны нулевой дисперсии равна 1,55 мкм (так называемые оптические волокна со смещенной дисперсией) или получить волокна с малой величиной дисперсии во всем диапазоне волн от 1,3 до 1,60 мкм (так называемые волокна со сглаженной дисперсией), а также получить волокна со специально подобранной величиной дисперсии в диапазоне длин волн от 1,53 до 1,565 мкм, предназначенных для спектрального уплотнения с применением легированных эрбием волоконных усилителей, (так называемые волокна с ненулевой смещенной дисперсией).

Разновидности многомодовых волокон и области их использования

В настоящее время для электросвязи изготавливаются многомодовые градиентные оптические волокна с градиентным профилем.

Они используются для удлинения ранее построенных на их основе сетей, а также в локальных вычислительных сетях и линиях передачи данных. Хотя многомодовые волокна несколько дороже одномодовых, суммарные затраты с учетом стоимости источников излучения, детекторов, разъемных и неразъемных соединений получаются меньшими по сравнению с одномодовыми волокнами.

Тип многомодовых волокон обозначается дробью: в числителе указывается диаметр сердцевины, а в знаменателе — оболочки. Например, 50 / 125 означает, что диаметр сердцевины волокна равен 50 мкм, а диаметр оболочки 125 мкм. Иногда это обозначение не позволяет точно идентифицировать тип волокна, так как при одинаковых геометрических размерах оно может изготавливаться с различным относительным показателем преломления , а, следовательно, и разными характеристиками оптических волокон, зависищих от численного значения .

В таблице 15 приведены характеристики пяти типов многомодовых волокон общего применения.

Таблица 15

Диаметр сердцевина / оболочка, мкм	, %	Теоретическая числовая апертура	Коэффициент широкополосное™, МГц • км
50/125	1,0	0,21	1500—1800
50/125	1,3	0,24
62,5 /125	1,9	0.29	600—1000
85/125	1,7	0,27
100/ 140	2,1	0,31

Многомодовые волокна в настоящее время изготавливаются для их использования в трех модификациях: на длине волны X, = 0,85 мкм или на длине волны X = 1,3 мкм, а также одновременно на двух указанных длинах волн. В последнем случае ширина полосы пропускания может быть равной, но обычно на X = 1,3 мкм она выше.

Волокна 50 / 125. Эти волокна были первыми волокнами, которые предназначались для организации связи на значительные расстояния с использованием лазерных источников излучения. Характеристики этих волокон приняты за образец, относительно которых сравниваются ха­рактеристики всех остальных типов многомодовых волокон..

В России многомодовые волокна 50 / 125 с числовой апертурой NA — 0,2 используются в оптических кабелях для организации соеди­нительных линий АТС. Передаточные характеристики отечественных оптических волокон на длине волны X = 1,3 мкм приведены в таблице 16.

Таблица 16

Сети	Затухание, дБ / км	Коэффициент широкополосности, МГц • км
Городская	0,7; 1,0	Не менее 100
Сельская	0,7; 1,0; 1,5	Не менее 120
Зоновая	0,7; 1,0; 1,5	Не менее 800

Волокна 62,5/125. По мере снижения стоимости оптических волокон стало привлекательным их использование на других участках сети связи, в частности на магистральных участках сети местной связи. Более неблагоприятные условия эксплуатации в сетях местной связи потребовали разработки новых систем передачи с использованием светоизлучающих диодов (СИД) вместо лазеров для обеспечения большей температурной стабильности, надежности работы и меньшей стоимости. Эти волокна захватывают большую долю мощности от СИД по сравнению с волокнами 50 / 125. Из рассматриваемых пяти типов, они имеют наименьшие вносимые потери на изгибах при равных прочих условиях. До недавнего времени это волокно имело наиболее широкое использование в зарубежных частных сетях связи при использовании СИД в качестве источника излучения.

Их затухание незначительно больше, чем у волокон 50 / 125 мкм, но значительно меньше, чем у волокон 100 / 140 мкм. Учитывая, что в некоторых случаях стоимость прокладки оптического кабеля в несколько раз превышает стоимость самого кабеля, ожидается, что с лазерными источниками излучения волокна 62,5 / 125 (при развитии существующей сети)могут быть использованы для передачи данных со скоростью, превышающей 1 Гбит / с, на коротких линиях внутри зданий и со скоростью выше 200 Мбит / с при длине линии до 2 км (между зданиями).

Возможность передачи на двух длинах волн позволяет предусмотреть развитие пропускной способности сети, например, вначале использовать длину волны X, = 0,85 мкм для передачи данных со скоростью 10 Мбит / с, а затем X = 1,3 мкм для передачи данных со скоростью 100 Мбит/с.

Одномодовые волокна дешевле, чем многомодовые. Однако более высокая цена лазерных источников излучения приводит к более высокой стоимости коротких линий передачи данных в зданиях по сравнению с вариантом многомодового волокна плюс светоизлучающие диоды.

Волокна 85,5 /125. Это волокно предназначено для использования в локальных вычислительных сетях. Его недостатком является наибольшая чувствительность к изгибам с точки зрения вносимых потерь. По этой причине оно не получило широкого использования.

Волокна 100 / 140. Предназначено для использования на коротких участках сети низкоскоростной передачи данных, содержащей большое число коннекторов. Это волокно захватывает наибольшую долю мощности от СИД из всех рассматриваемых. Оно наименее чувствительно к отклонениям от номинальных размеров коннекторов, но последние несколько дороже из-за нестандартного размера отражающей оболочки волокна.

Разновидности одномодовых волокон и области их использования

Интересно отметить, что одномодовые волокна были изготовлены раньше, чем градиентные многомодовые волокна. Однако опыт их использования в начале 1970-х годов был отрицательным и тогда же сложилась точка зрения, что одномодовые волокна не пригодны для практического использования из-за малости размеров сердцевины и жестких допусков. Поэтому основное внимание специалистов было переключено на разработку многомодовых волокон и доведения их до практического использования. В результате последние имели широкое коммерческое использование в конце 197б-х и начале 1980-х гг. Однако работы по технологиям одномодовых волокон не прекращались и в результате они получили коммерческое использование в 1984 г.

В настоящее время в сетях связи одномодовые волокна вытесняют многомодовые и используются не только на участках магистральной, зоновой сети связи, но и в сетях местной и корпоративной связи.

Мощным стимулом совершенствования технологий изготовления одномодовых волокон является потребительский спрос и стандартизация все большего числа технических характеристик волокон. Тенденцией развития оптических волокон с начала до середины 1980-х гг. было стремление уменьшить затухание волокон с целью увеличения длины регенерационного участка при умеренных потребностях в росте скорости передачи до 0,5 Гбит/с.

Затем в середине 80-х — начале 90-х гг. происходит смена тенденции и главным становится обеспечение максимальной скорости передачи по одному каналу волокна, которая была доведена до 2,5 Гбит / с. В середине 90-х гг. появились системы передачи со спектральным (волновым) уплотнением и оптические усилители, которые стимулировали разработку специального одномодового волокна с ненулевой смещенной дисперсией, позволяющего передавать сравнительно большие мощности оптического сигнала при спектральном уплотнении волокна. В эти же годы происходит резкое увеличение трафика (ежегодный прирост: телефония — 10 %, передача данных — 30 %, Интернет — 100 %).

Доступные в настоящее время для коммерческого использования одномодовые волокна могут быть разделены на три обширные группы:

- стандартное волокно (обычные волокно с несмещенной дисперсией), оптимизированное для использования на длинах волн около X = 1,31 мкм, его можно также использовать в диапазоне длины волны около 1,55 мкм (там, где характеристики волокна не оптимизированы);

- волокно со смещенной нулевой дисперсией, оптимизированное для использования вблизи длины волны X = 1,55 мкм;

- волокно с ненулевой смещенной дисперсией, предназначенное для спектрального (волнового) уплотнения в диапазоне длин волн от 1,530 до 1,565 мкм.

К настоящему времени среди одномодовых волокон подавляющее большинство составляют стандартные волокна и начинают широко ис­пользоваться волокна с ненулевой смещенной дисперсией.

В отличие от классификации многомодовых волокон, основанной на определенных размерах диаметра сердцевины и оболочки, производители одномодовых волокон изготавливают волокна, различающиеся между собой профилем показателя преломления и диаметром сердцевины внутри одной и той же группы.

Диаметр сердцевины для стандартных одномодовых волокон может быть легко идентифицирован как размер области в которой показатель преломления имеет наибольшее значение. Волокна со смещенной дисперсией имеют более сложные профили показателя преломления (см.рис.76,г и д), для которых определение диаметра сердцевины становится неоднозначным. Поэтому вместо диаметра сердцевины (или наряду с ним) для одномодовых волокон принято указывать диаметр модового поля, т.е. диаметр области в центре волокна, по которой распространяется основная часть электромагнитной энергии.

Диаметр модового поля (fV) у стандартных одномодовых волокон с поглощающей оболочкой (W = 8,8 мкм при X = 1,31 мкм) меньше, чем аналогичного волокна с согласованной оболочкой (W= 9,3 мкм). Поэтому при изгибах одномодовое волокно с поглощающей оболочкой вносит меньшие потери, чем волокно с согласованной оболочкой, но последние имеют меньшие потери на разъемных и неразъемных соединениях.

При соединении одномодовых волокон с неодинаковым диаметром модового поля происходит потеря энергии на стыке волокон, которая не зависит от направления передачи, хотя это и противоречит интуитивным представлениям. Это объясняется тем, что согласно физическим законам, определяющим условия распространения света по одномодовым волокнам, волокно имеющее больший диаметр модового поля имеет меньший угол приемного конуса света. Так, например, при передаче в направлении от меньшего диаметра модового поля в сторону большего, часть энергии теряется, так как свет из первого волокна излучается в больший световой конус, чем может принять световой конус второго волокна.

При обратном направлении передачи часть энергии вводится слишком далеко от сердцевины приемного волокна и не захватывается.

В настоящее время при проектировании сети связи на выбор типа одномодового волокна влияют следующие три основные фактора: максимальная длина регенерационного участка; максимальное число каналов в системе передачи (максимальная скорость передачи по одной системе);

общее число каналов при передаче по одному волокну.

Если не предполагается использовать скорость передачи выше 2,5 Гбит/с или не требуется длина участка регенерации более 50—100 км (в зависимости от типа использованного лазера), то целесообразно использовать стандартное одномодовое волокно с согласованной или поглощающей оболочкой, так как оно стоит на 30—300% дешевле по сравнению с волокном со смещенной нулевой или смещенной ненулевой дисперсией.