2. Оптические волокна

/ Оптика

Оптическое волокно и его структура

Оптические линии связи успешно конкурируют с традиционными медными линиями и беспроводными технологиями. Именно оптическому волокну мы во многом обязаны резким увеличением объема и скорости передаваемой по всему миру информации за последние годы и, в частности, развитием Интернета. Более того, с каждым годом оптическое волокно становится все ближе к потребителю и осваивает все новые сферы применения.

По оптоволокну происходит передача электромагнитного излучения оптического диапазона длин волн, соответствующего частотам 1014 - 1015 Гц

Оптическое волокно (оптоволокно) – это волновод с круглым поперечным сечением, по которому передается электромагнитное излучение оптического диапазона (обычно ближний ИК и видимый свет). Оптическое волокно состоит из двух основных частей: сердцевины и оптической оболочки. Диаметр этой структуры сравним с толщиной человеческого волоса. Сверху на оптоволокно наносится защитное акриловое покрытие. Для дальнейшей защиты используются различные упрочняющие и защитные элементы. Конструкция, содержащая одно или несколько оптических волокон и различные защитные элементы, покрытые общей оболочкой, называется волоконно-оптическим кабелем.

Оптическое волокно представляет собой двухслойную цилиндрическую кварцевую нить, состоящую из сердцевины и оболочки . Сердцевина легирована германием, поэтому её показатель преломления больше, чем у оболочки. Свет распространяется в сердцевине волокна, испытывая полное внутреннее отражение на границе с оболочкой. Он проникает в оболочку на глубину порядка длины волны, т.е. на глубину много меньше её толщины и, следовательно, не взаимодействует с покрытием из акрилатного лака. Это покрытие необходимо для защиты кварцевой оболочки от механических повреждений и воздействия воды. Без лака волокно имеет толщину 125 мкм (чуть толще волоса), а в центре его идёт сердечник диаметром 9 мкм (для одномодого волокна) из сверхчистого стекла с другим составом и с немного отличным от оболочки показателем преломления. Именно в сердечнике распространяется излучение (за счёт эффекта полного отражения на границе «сердечник — оболочка»). Наконец, сверху 125-микрометровый цилиндр «оболочки» покрыт другой оболочкой — из особого лака (прозрачного или цветного — для цветовой маркировки волокон). Он (лак) предохраняет волокно от умеренных повреждений (без лака волокно хоть и гнётся, но плохо и легко сломать, волокно элементарно раскрошится от случайно положенного на него мобильника, а в лаке его можно смело обмотать вокруг карандаша и довольно сильно дёрнуть — оно выдержит). 

Информационный сигнал передается по оптическому волокну в виде модулированного светового излучения. Благодаря явлению полного внутреннего отражения свет, попавший в оптоволокно, распространяется по нему на большие расстояния. Сердцевина и оптическая оболочка волокна изготавливаются из материалов с незначительно отличающимися показателями преломления. Показатель преломления сердцевины, обычно имеющий величину от 1,4 до 1,5, всегда немного больше, чем показатель преломления оптической оболочки (разница порядка 1%).

Поэтому световые волны, попавшие в сердцевину под углами, меньшими некоторого критического значения, многократно переотражаются от оболочки. Если при этом выполняются условия для распространения в волноводе (свет – это не только поток частиц, но и электромагнитная волна), то такие световые волны, называемые модами, распространяются на значительные расстояния.

Анимация для понятия термина мода

 

Разновидности и классификация оптических волокон

Основными критериями, по которым проводится классификация, можно считать следующие два:

  • Материал, из которого изготавливается сердцевина и оптическая оболочка. Оптоволокно может изготавливаться не только из кварцевого стекла, но и из других материалов, в частности из полимеров.
  • Количество распространяющихся мод. В зависимости от геометрических размеров сердцевины и оболочки и величины показателя преломления в оптическом волокне может распространяться только одна или же большое количество пространственных мод.

Все оптические волокна делят на два больших класса:

  • одномодовые
  • многомодовые

Отличия одномодового от многомодового волокна

Многомодовое оптоволокно со ступенчатым показателем преломления уже не выпускается. На смену ему давно пришло многомодовое волокно с градиентным показателем преломления.

Градиентное многомодовое оптоволокно в настоящее время используется для локальных сетей связи небольшой протяжённости.

Многомодовое оптоволокно ко всем своим недостаткам ещё и дороже, что связано с более сложным процессом изготовления его преформы. Некоторый выигрыш в цене на многомодовые системы связи достигается за счёт дешевизны остального оборудования, например, вместо лазера можно использовать светодиод. В окошко 50 или 62,5 мкм ввести излучение проще, чем в 8 мкм одномодового волокна.

В одномодовом волокне отсутствует межмодовая дисперсия, то есть уширение сигнала во времени из-за разницы в скорости распространения мод. Поэтому одномодовое волокно характеризуется очень большой величиной ширины полосы пропускания (десятки и даже сотни ТГц*км). Стандартное одномодовое волокно имеет ступенчатый профиль показателя преломления.

Величина затухания в одномодовом оптоволокне в несколько раз меньше, чем в многомодовом и примерно в 1000 раз меньше, чем затухание в кабеле на витой паре Cat6 (данные для частоты 500 МГц). Таким образом, одномодовое волокно позволяет передавать информацию на очень большие расстояния (до 300 км) на высокой скорости без ретрансляции (восстановления) сигнала, причем характеристики передачи определяются главным образом свойствами активного оборудования.

С другой стороны, одномодовое волокно требует большой точности при вводе излучения и при стыковке оптических волокон друг с другом (очень тонкая сердцевина), что повышает стоимость используемых волоконно-оптических компонентов (активное оборудование, соединительные изделия) и усложняет процесс монтажа и обслуживания линий.

Типы одномодовых оптических волокон:

  • стандартное
  • с нулевой смещенной дисперсией (ZDSF- zerodispersion-shiftedfibre)
  • с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (Non-Zero Dispersion Shifted Fibre)
  • с ненулевой дисперсией для широкополосной передачи данных
  • с уменьшенными потерями на малых радиусах изгиба
  • со смещенной длиной волны отсечки
Волокна делятся на два основных типа: многомодовые и одномодовые. Для всех типов волокон, применяемых в линиях связи, диаметр кварцевой оболочки имеет стандартный размер 125 + 1 мкм на защитный лак. Номинальный диаметр сердцевины у многомодовых волокон 50 или 62.5 мкм. Диаметр сердцевины у одномодовых волокон может меняться в зависимости от типа волокна в пределах 7..9 мкм. Нормируемым параметром у одномодовых волокон является диаметр модового пятна, величина которого зависит от типа волокна и рабочей длины волны и лежит в пределах 8..10 мкм. Отклонение диаметра модового пятна от его средней величины в соответствии с международным стандартом ITU-T Rec. G. 652 не должно превышать 10 %.

Таким образом, можно выделить четыре больших класса оптических волокон. На практике чаще всего встречаются первых два:

  1. Кварцевое многомодовое волокно (MM – Multi Mode)
  2. Кварцевое одномодовое волокно (SM – Single Mode)
  3. Пластиковое, или полимерное, оптическое волокно (POF)
  4. Кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS)

На рисунке ниже изображены поперечные сечения этих четырех типов волокон (соотношение размеров сохранено).

 

Кварцевое многомодовое волокно

Кварцевые волокна являются самым известным и распространенным типом оптических волокон. Поскольку многомодовые и одномодовые кварцевые волокна сильно отличаются по своим характеристикам и применению, удобнее рассмотреть их по отдельности.

Многомодовое кварцевое волокно имеет и сердцевину, и оптическую оболочку из кварцевого стекла. Как правило, такое оптоволокно имеет градиентный профиль показателя преломления. Это необходимо, чтобы снизить влияние межмодовой дисперсии. Как было показано выше, моды распространяются в оптическом волокне по разным траекториям, а значит, время распространения каждой моды также отличается. Это приводит к уширению передаваемого импульса. Градиентный профиль уменьшает разницу во времени распространения мод. За счет плавного изменения показателя преломления моды высшего порядка, которые попадают в волокно под бо́льшим углом и распространяются по более длинным траекториям, имеют и бо́льшую скорость, чем те, которые распространяются вблизи сердцевины. Полностью устранить влияние межмодовой дисперсии невозможно, поэтому многомодовое волокно уступает одномодовому по дальности и скорости передачи информации.

 

 

Рабочими для многомодового волокна обычно являются длины волн 850 и 1300 (1310) нм. Типичное затухание на этих длинах волн – 3,5 и 1,5 дБ/км соответственно.

Классификация. Кварцевое многомодовое волокно было первым типом волокна, которое стало широко применяться на практике. Распространение получили два стандартных размера многомодовых волокон (диаметр сердцевины/оболочки): 62,5/125 мкм и 50/125 мкм.

Общепринятая классификация многомодовых кварцевых волокон приводится в стандарте ISO/IEC 11801. Этот стандарт выделяет четыре класса многомодовых волокон (OM – Optical Multimode), отличающиеся шириной полосы пропускания (параметр, характеризующий межмодовую дисперсию и определяющий скорость передачи информации):

  • OM1 – стандартное многомодовое волокно 62,5/125 мкм;
  • OM2 – стандартное многомодовое волокно 50/125 мкм;
  • OM3 – многомодовое волокно 50/125 мкм, оптимизированное для работы с лазером;
  • OM4 – многомодовое волокно 50/125 мкм, оптимизированное для работы с лазером, с улучшенными характеристиками.

Фраза «оптимизированное для работы с лазером» напоминает о том, что изначальна для передачи сигнала по многомодовому волокну использовались светодиоды (LED). С появлением полупроводниковых лазеров стали разрабатываться волокна более совершенной структуры, названные оптимизированными для работы с лазерами.

Применение. Многомодовое волокно применяется в непротяженных линиях связи (обычно сотни метров), причем волокно 50/125 мкм (OM2, OM3, OM4) используется в основном в локальных сетях и дата-центрах, а волокно 62,5/125 мкм часто применяется в индустриальных сетях. В гигабитных приложениях рекомендуется применять волокна классов OM3 и OM4. Причина, по которой многомодовое волокно до сих пор не вытеснено одномодовым волокном, обладающим лучшими характеристиками, заключается в меньшей стоимости компонентов линии (активное оборудование, соединительные изделия). Цена снижается из-за большего диаметра сердцевины многомодового волокна, и, соответственно, меньших требований к точности изготовления и монтажа компонентов.

Кварцевое одномодовое волокно

В одномодовом волокне, как следует из названия, распространяется только одна (основная) мода излучения. Это достигается за счет очень маленького диаметра сердцевины (обычно 8-10 мкм). Диаметр оптической оболочки такой же, как и у многомодового волокна – 125 мкм. Отсутствие других мод положительно сказывается на характеристиках оптоволокна (нет межмодовой дисперсии), увеличивая дальность передачи без ретрансляции до сотен километров и скорость до десятков Гбит/с. Затухание в одномодовом волокне также крайне низкое (менее 0,4 дБ/км).

 

Диапазон длин волн для одномодового волокна достаточно широк. Обычно передача осуществляется на длинах волн 1310 и 1550 нм. При использовании технологии спектрального уплотнения каналов используются и другие длины волн (об этом ниже).

Классификация. Ассортимент кварцевых одномодовых волокон весьма разнообразен. Международный стандарт ISO/IEC 11801 и европейский EN 50173 по аналогии с многомодовым волокном выделяют два больших класса одномодовых волокон: OS1 и OS2 (OS – Optical Single-mode). Однако в связи с существующей путаницей, связанной с этим делением, не рекомендуем ориентироваться на эту классификацию. Гораздо более информативными являются рекомендации ITU-T G.652-657, выделяющие больше типов одномодовых волокон.

В таблице ниже представлена краткая характеристика этих волокон и их применение. Но прежде – пара комментариев. Межмодовая дисперсия, отсутствующая в одномодовом волокне, является не единственным механизмом уширения оптического импульса. В одномодовом волокне на первый план выходят другие механизмы, прежде всего, хроматическая дисперсия, связанная с тем, что ни один источник излучения (даже лазер) не испускает строго монохроматичное излучение. При этом существует длина волны, при которой коэффициент хроматической дисперсии равен нулю. В большинстве случае работа на этой длине волны оказывается предпочтительной, но не всегда.

 

Тип волокна Описание Применение
G.652.Одномодовое волокно с несмещенной дисперсией Наиболее распространенный тип одномодового волокна с точкой нулевой дисперсии на длине волны 1300 нм. Различают 4 подкласса (A, B, C и D). Волокна G.652.C и G.652.D отличаются низким затуханием вблизи «водного пика» («водным пиком» называют область большого затухания в стандартном волокне около длины волны 1383 нм). Стандартные области применения.
G.653.Одномодовое волокно с нулевой смещенной дисперсией Точка нулевой дисперсии смещена на длину волны 1550 нм. Передача на длине волны 1550 нм.
G.654.Одномодовое волокно со смещенной длиной волны отсечки Длина отсечки (минимальная длина волны, при которой волокно распространяет одну моду) смещена в область длин волн около 1550 нм. Передача на длине волны 1550 нм на очень большие расстояния. Магистральные подводные кабели.
G.655.Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией Это волокно имеет небольшое, но не нулевое, значение дисперсии в диапазоне 1530-1565 нм (ненулевая дисперсия уменьшает нелинейные эффекты при одновременном распространении нескольких сигналов на разных длинах волн). Линии передачи со спектральным уплотнением каналов (DWDM).
G.656.Одномодовое волокно c ненулевой смещенной дисперсией для широкополосной передачи Ненулевая дисперсия в диапазоне длин волн 1460-1625 нм. Линии передачи со спектральным уплотнением каналов (CWDM/DWDM).
G.657.Одномодовое волокно, не чувствительное к потерям на макроизгибе Волокно с уменьшенным минимальным радиусом изгиба и с меньшими потерями на изгибе. Выделяют несколько подклассов. Для прокладывания в ограниченном пространстве.

Применение. Одномодовое кварцевое волокно, безусловно, является самым распространенным типом оптоволокна. С его помощью можно организовать передачу высокоскоростного сигнала на очень большие расстояния, а применение технологии спектрального уплотнения каналов (CWDM/DWDM) позволяет в разы увеличить пропускную способность линии связи. Одномодовое волокно часто применяется и на коротких дистанциях, например, в локальных сетях.

Пластиковое оптическое волокно (POF)

О кварцевом оптическом волокне знают практически все. Но помимо него существует еще два типа оптических волокон, заслуживающие внимания. Прежде всего, речь идет о пластиковом, или полимерном, оптическом волокне (POF – Plastic/Polymer Optical Fiber). Это многомодовое волокно большого диаметра со ступенчатым показателем преломления, сердцевина и оболочка которого изготовлены из полимерных материалов, прежде всего, из полиметилметакрилата (по-простому, оргстекла). Чаще всего можно встретить POF с соотношением диаметров сердцевины и оболочки 980/1000 мкм.

В сравнении с кварцевым волокном POF имеет очень большие потери (100-200 дБ/км). С другой стороны, минимум потерь находится в видимом диапазоне (520, 560 и 650 нм). Это, а также очень большой размер поперечного сечения, позволяет использовать в качестве источников излучения дешевые светодиоды. Большой диаметр также значительно упрощает процесс работы с пластиковым волокном. Процесс изготовления патч-корда (оптического шнура) требует меньших навыков и времени, а все необходимые приспособления имеют значительно меньшую стоимость. На рисунке ниже представлены пластиковые патч-корды с коннекторами семейства Versatile Link (VL) от компании Broadcom Limited (ранее Avago Technologies).

Таким образом, главные преимущества пластикового волокна – это низкая стоимость компонентов и простота работы с ним. При этом POF присущи все те особенности оптического волокна, которые дают ему преимущества перед другими видами связи. В их числе невосприимчивость к электромагнитному излучению и изолирующие свойства (защита от высоких напряжений), меньшие габариты и вес.

Классификация. Хотя выпускаемые пластиковые волокна отличаются по размеру, используемым полимерам, профилю показателя преломления и другим параметрам, подавляющую часть всех пластиковых волокон составляет POF 980/1000 мкм из полиметилметакрилата.

Применение. Область применения POF – короткие низкоскоростные линии связи (до 200 Мбит/с на несколько десятков метров). Преимущества POF проявляются в тех случаях, когда простота эксплуатации и низкая стоимость линии связи важнее, чем характеристики самой передачи. POF часто используется в промышленных линиях связи, автомобильной электронике, медицине и разного рода датчиках. Кроме того, пластиковое волокно может с успехов применяться и в различных специальных/корпоративных сетях передачи данных, например, для связи в пределах квартиры или офиса (к слову, эта область применения в России пока только начинает развиваться).

Кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS)

И, наконец, последний тип оптического волокна представляет собой нечто среднее (во всех отношениях) между кварцевым и пластиковым волокном. У этого типа волокна много названий, но мы привыкли называть его кварцевым волокном с полимерной (жесткой) оболочкой и обозначать HCS (Hard Clad Silica). Также распространена аббревиатура PCS (Polymer Clad Silica).

HCS-волокно – это многомодовое оптическое волокно большого диаметра с сердцевиной из кварцевого стекла и оболочкой из полимерного материала. Наибольшее распространение в телекоммуникациях получило HCS-волокно с диаметром сердцевины и оболочки 200/230 мкм и ступенчатым показателем преломления. В других областях, таких как медицина и научные исследования, могут использоваться HCS-волокна с бо́льшим диаметром сердцевины (300, 400, 500 мкм…).

По своим оптическим характеристикам HCS-волокно также занимает промежуточное положение между кварцевым оптоволокном и POF. Минимум затухания стандартного HCS-волокна приходится на длину волны 850 нм и составляет единицы-десятки дБ/км. Для работы с HCS-волокном часто можно использовать те же активные компоненты, что и для POF (с длиной волны 650 нм) или для многомодового кварцевого волокна (светодиоды с длиной волны 850 нм).

Достаточно большой размер HCS-волокна, как и в случае POF, упрощает и удешевляет процесс работы с ним.

Классификация. Как уже упоминалось, в телекоммуникациях в основном используется HCS-волокно 200/230 мкм.

Применение. В целом, области применения HCS схожи с областями применения POF, с той лишь только разницей, что расстояние передачи при использовании HCS-волокна увеличивается до нескольких километров (благодаря меньшему затуханию).