Оптические волокна. Классификация.

    Оптические волокно стандарт де-факто при построении магистральных сетей связи. Протяженность волоконно-оптических линий связи в России у крупных операторов связи достигает > 50 тыс.км.
    Благодаря волокну мы имеем все те преимущества в связи, которых не было раньше.
    Вот и попробуем рассмотреть виновника торжества — оптическое волокно.

    В статье попробую написать просто о оптических волокнах, без математических выкладок и с простыми человеческими объяснениями.

    Статья чисто ознакомительная, т.е. не содержит уникальных знаний, всё что будет описано может быть найдено в куче книг, однако, это не копипаст, а выжимка из «кучи» информации только лишь сути.



    Классификация


    Чаще всего волокна подразделяют на 2 общих типа волокон
    1. Многомодовые волокна
    2. Одномодовые

    дадим пояснение на «бытовом» уровне что есть одномод и многомод.
    Представим гипотетическую систему передачи с волокном воткнутым в нее.
    Нам надо передать двоичную информацию. Импульсы электричества в волокне не распространяются, ибо диэлектрик, поэтому мы будим передавать энергию света.
    Для этого нам нужен источник световой энергии. Это могут быть светодиоды и лазеры.
    Теперь мы знаем что мы используем в качестве передатчика — это свет.

    Подумаем как свет вводится в волокно:
    1) Световое излучение имеет свой спектр, поэтому если сердцевина волокна широкая (это в многомодовом волокне), то больше спектральных составляющих света попадет в сердцевину.
    Например мы передаем свет на длине волны 1300нм (к примеру), сердцевина многомода широкая, то и путей распространения у волн больше. Каждый такой путь и есть моды

    2) Если же сердцевина маленькая (одномодовое волокно), то путей распространения волн соотвественно уменьшается. И так как дополнительных мод гораздо меньше, то и не будет и модовой дисперсии (о ней ниже).

    Это основное отличие многомодового и одномодового волокон.
    Спасибо enjoint, tegger, hazanko за замечания.

    Многомодовые в свою очередь делятся на волокна со ступенчатым показателем преломления (step index multi mode fiber) и с градиентным (graded index m/mode fiber).

    Одномодовые делятся на ступенчатые, стандартные (standard fiber), со смещенной дисперсией (dispersion-shifted) и ненулевой смещенной дисперсией (non-zero dispersion-shifted)

    Конструкция оптического волокна


    Каждое волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления.
    Сердцевина (которая и является основной средой передачи энергии светового сигнала) изготавливается из оптически более плотного материала, оболочка — из менее.

    Так, например, запись 50/125 говорит о том, что диаметр сердцевины равен 50 мкм, оболочки — 125мкм.

    Диаметры сердцевины равные 50мкм и 62,5мкм являются признаками многомодовых оптических волокон, а 8-10мкм, соответственно, одномодовым.
    Оболочка же, как правило, всегда имеет диаметр размером 125мкм.

    Как видно диаметр сердцевины одномодового волокна имеет намного меньший размер, нежели диаметр многомодового. Меньший диаметр сердцевины позволяет уменьшить модовую дисперсию (о которой, возможно, будет написано в отдельной статье, а также вопросы распространения света в волокне), а соответственно увеличить дальность передачи. Однако, тогда бы одномодовые волокна вытеснили многомоды, благодаря более лучшим «транспортным» характеристикам, если бы не необходимость использовать дорогие лазеры с узким спектром излучения. В многомодовых волокнах используются светодиоды с более размазанным спектром.

    Поэтому для недорогих оптических решений, таких как локальные сети интернет-провайдеров применения многомода случается.

    Профиль показателя преломления



    Вся пляска с бубном у волокна с целью увеличения скорости передачи была вокруг профиля показателя преломления. Так как основным сдерживающим фактором увеличения скорости является модовая дисперсия.
    Кратко суть в следующем:
    когда излучение лазера поступает в сердцевину волокна, то сигнал передается по ней в виде отдельных мод (грубо: лучей света. А на самом деле разные спектральные составляющие вводимого сигнала)
    Причем входят «лучи» под разными углами, поэтому время распространения энергии отдельно взятых мод различается. Это проиллюстрировано на рисунке ниже.


    Здесь отображены 3 профиля преломления:
    ступенчатый и градиентный для многомодового волокна и ступенчатый для одномодового.
    Видно, что в многомодовых волокнах моды света распространяются по различным путям, но, из-за постоянного коэффициента преломления сердцевины с ОДИНАКОВОЙ скоростью. Те моды, которые вынуждены идти по ломанной линии приходят позже, чем моды, идущие по прямой. Поэтому исходный сигнал растягивается во времени.
    Другое дело с градиентным профилем, те моды которые раньше шли по центру — замедляются, а моды, которые шли по ломанному пути, наоборот, ускоряются. Это произошло оттого, что коэффициент преломления сердечника теперь непостоянен. Он увеличивается параболически от краев к центру.
    Это позволяет увеличить скорость передачи и получить распознаваемый сигнал на приеме.

    Области применения оптических волокон


    Многомодовое волокно Одномодовое волокно
    MMF 50(62.5)/125
    Градиентное
    SF 9/125
    ступенчатое
    SF 9/125
    со смещенной дисперсией
    (с ненулевой смещенной дисп.)
    ЛВС(GigaEther,FDDI,ATM) Протяженные ЛВС, магистрали SDH Сверхпротяженные магистрали SDH


    К этому можно добавить, что магистральные кабели теперь все почти идут с ненулевой смещенной дисперсий, что позволяет использовать на этих кабелях спектральное волновое уплотнение (WDM) без нужды замены кабеля.
    А при построении пассивных оптических сетей часто используют многомодовое волокно.

    Спасибо тем, кто конструктивно критиковал.

    PS
    если будет интересно, то могут появиться статьи о
    — дисперсии
    — типах волоконно-оптических кабелей (не волокон)
    — системах передачи, используемых для wdm/dwdm уплотнения.
    — процедура сварки оптических волокон. и типы сколов.

    Метки:
    Поделиться публикацией
    Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

    Подробнее
    Реклама
    Комментарии 65
    • +3
      Позновательно. Думаю, что стоит продолжить цикл статей, а так же сделать небольшой «вопрос-ответ», например: что значит «сварка оптики» — ...(доступно описать процедуру).
      • +5
        могу даже показать.
        • 0
          :) я сам видел и знаю как это выглядит, но например сделать ответ в картинках и с пояснениями что к чему и чем «это грозит»
          • 0
            Сварка сварка :) лучше покажите как раньше оптические патч-корды делали вручную, с помощью двух-компонентного клея, с полировкой 3я наждачками, рассматриванием в микроскоп… ммм :)
            • 0
              к слову о сварке — современные автоматы варят практически без участия человека… на полуавтоматах еще интересно было совмещать волокна, а сейчас прогресс… все опошлили =) засунул волокно, тыкнул кнопку — готово.
              • 0
                Ага, только местами еще можно встретить пластиковые склейки с жуткими потерями ;-)
                Жаль только аппараты скалывать пока не умеют и проверять качество скола. Хотя может уже есть, но тогда стоить они должны минимум тысяч двадцать наверное…
                • 0
                  умеют проверять качество стыковки.
                  всунул волокно, а он говорит — иди-ка ты лесом дружок, сколол плохо. и отказывается варить.
                  • 0
                    *качество скола
                    • 0
                      и качество скола и грязь на волокне. хотя, «грязные» волокна аппарат сварит, а грязь дугой выжгет;)
                    • +1
                      Это через камеру сразу видно, как правило. Но хотелось бы — всунул два волокна и нажал кнопку «Сделать круто» — и все готово.
                    • 0
                      ну дак скалыватели тоже уже далеко от «ручек» ушли… у современных качество скола высокое и стбильное с низким процентом брака. Правда там тоже немного руки прямые нужны, но все же это не ручкой «чикать» и руками ломать =)
                      • 0
                        Есть у нас такой скалыватель, забавная штука, даже под углом скалывать умеет, да и со сварочником стыкуется хорошо: волокно из скалывателя вынимается вместе с V-groove'ом и на нем вкладывается в сварочник. Только вот волокна этот скалыватель отъедает сантиметра четыре, что для нас обычно неприемлимо, так что скалываем механическим.
                        • 0
                          а почему 4см неприемлемо?
                          • 0
                            Я в НИИ работаю, занимаемся волоконными лазерами, сварки приходится часто переваривать, поэтому с таким сварочником очень быстро съедаются «хвосты» разветвителей, ВБР и прочих волоконных элементов.
                    • 0
                      кое где шлифуют и делают патч-корды вручную…
                  • 0
                    Инструкций по сварке и так достаточно. Вот, например, общее описание процесса: wiki.nag.ru/wiki/index.php/Сварка,_установка_муфт
                  • +2
                    Спасибо.
                    С трудом дочитал до конца. Мне кажется, что выбранный сухой реферативный способ изложения непонятного материала — весьма неудачное решение. Чуть больше примеров было бы кстати.
                    • +1
                      возможно, но тут я искал рациональное соотношение между объемом и качеством.
                      мне кажется на хабре статьи действительно большого объема трудно воспринимаются.

                      а какой момент не понятен? что подправить?
                      • +2
                        У меня чисто непрофессиональные вопросы.
                        Эти два типа волокон научились производить примерно в одно время? Или вначале один, потом другой, когда технологии позволили. Какой тип дороже? Для чего применяют каждый тип? Что используют в бытовой технике? ;) сорри за тупизну, эта тема далеко за пределами моей профессиональной деятельности, но кое что интересно.
                        • 0
                          Да, как заметил gm2k многомод дороже, и появился он раньше.
                          сначала одномодовые волокна стоили дороже, т.к. требовали более сложного процесса производства.
                          в бытовой технике? ну если вы о оптических шнурах для оптических аудивыходов, то я не в курсе.
                    • 0
                      Можно еще добавить, что как правило многомодовые в оранжевой оболочке, одномодовые — в желтой.
                      Так же, насколько знаю, многомод дороже одномода — и волокна, и конвертеры, потому в последнее время ММ встречается все реже.
                      Еще можно будет рассказать о том, какие виды разъемов бывают, какая шлифовка края бывает. Так же можно о производителях немного (ведь не только Corning их делает ;-)).
                      • 0
                        кто только не делает.
                        и ТрансВОК, и СевКабель, и СамарскаяКабКомпания
                        • 0
                          Вот и я о чем. Хотя из того, что я встречал — наверное 95% — Корнинг.
                        • 0
                          Ораньжевые, желтые — вы говорите о патч-кордах… а тут статья вообще про ВОЛС :) там каберь может быть толстый и совершенно не желтый… черный обычно или серый :), и быть бронированным 3мя способами. Морской магистральный — вообще очень толстый. А патч-корды бывают и других цветов, не взирая на свою принадлежность к одномодам или многомодам. И вы спутали — многомод дешевле одномода или сопоставим (по крайней мере года 1.5 назад было так). А у нас в стране вроде где-то под Питером завод есть, производящий волокно и кабель.
                          • 0
                            Это понятно, но можно было бы указать, как самое наглядное различие. Люди чаще видят патчкорды, чем морские магистральные кабели, ведь правда? Других цветов — ни на одном из крупных питерских узлов не видел.
                            Про цены — по счетам посмотрел — многомод дороже. Или нас обманывают?
                            • 0
                              там каберь может быть толстый и совершенно не желтый… черный обычно или серый :)

                              Люди чаще видят патчкорды

                              не знаю, мне притянули черный, в толстой (~1-2мм толщина пластика) изоляции две «жилы», когда в бухте лежит от медного для электро проводки на глаз особо не отличить :D одна из «жил» непосредственно оптика, вторая стальной корд, я правда ожидал что корд будет из тросика, а оказалась просто стальная проволока :D

                        • 0
                          Да и можно было бы указать чаще всего используемые длины волн — 1310, 1550 и, если не ошибаюсь, 950 нм.
                          • 0
                            это всё будет в других статьях.
                            • 0
                              В основном 1310 и 1550. 850нм используется очень редко.
                              • 0
                                Потому и не помню, что очень редко. В живую в рабочем состоянии даже не видел.
                                • 0
                                  Да ладно редко, в сетях локальных масштабов, насколько знаю, используется именно 850 и многомодовое волокно, как более дешевый вариант.
                                  • 0
                                    С оптическими локалками сталкивался мало, может подскажете, а зачем оно надо? Гигабитный эзернет в общем-то доступен, и то столько не надо — жесткие диски медленнее как правило.
                                    • 0
                                      Пользователю то оно не надо, а вот чтобы соединить две части крупной городской сети сгодится.
                                      • 0
                                        Если между ними меньше пары км — да, а такое, особенно если кабель по канализации, а не по крышам достаточно редко бывает. В пределах здания и гигабитэзернет пойдет.
                                        Мультимод точно дешевле? Не могу понять, по счетам и кабели и конвертеры для синглмода вроде дешевле получаются…
                                        • 0
                                          Хм, действительно дороже… Источники на 0.85 микрон, конечно, дешевле, но вряд ли компенсируют такую разницу. Честно говоря, о ценах на волоконные компоненты ознакомлен не особо, так меньше волнуешься, когда работаеьшь с ними =)
                                        • 0
                                          Одномод+конвертеры в ethernet баксов по 100. Получится надёжнее, имхо. И не дороже.
                                      • 0
                                        ни разу не встречал
                                  • +1
                                    Спасибо.
                                    Прочитал бы про все, что в PS. =)
                                    плюсег
                                    • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                      • 0
                                        спасибо за замечание, внес поправки.
                                      • +2
                                        А моды — это точно разные длины волн? Я всегда думал, что это просто разные пути распространения сигнала.
                                        Даже одномодовое волокно будет пропускать приличный кусок спектра обычного светодиода, а не только свет с определенной длиной волны.
                                        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                          • +1
                                            дык, не всем же оптоинформатику преподают в ВУЗе :) Собраться чтоль, да отковырять баги в статье…
                                          • 0
                                            если быть точным модами называются различные частоты, которые генерирует лазер совместно с основной…
                                            • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                              • 0
                                                Говорить о путях распространения сигнала в одномодовом волокне, вообще говоря, бред. Там геометрическая оптика неприменима ну никак, собственно потому то и появляется модовая структура.
                                              • 0
                                                А это не те же пути распространения волн внутри рабочего тела лазера?
                                                • 0
                                                  А, нет. Фигню написал.
                                              • 0
                                                Верно.

                                                >>Световое излучение имеет свой спектр, поэтому если сердцевина волокна широкая (это в многомодовом волокне), то больше спектральных составляющих света попадет в сердцевину.

                                                Полный бред, так как спектр зависит только от источника излучения, а не от размера сердцевины. Даже один фотон не будет излучать очень узкий спектр.
                                              • 0
                                                Хорошая статья. Доступно описано.
                                                С радостью бы прочел статьи на указанные темы.
                                                5+ :)
                                                • 0
                                                  Оооооочень большие сомнения вызывает «где расстояния между активным сетевым оборудованием редко более 5-15км, применения многомода весьма обоснованно»! Рекомендую ознакомиться со стандартом ISO/IEC 11801 дабы не плодить мифов…
                                                  • 0
                                                    согласен. покамест цифры убрал.
                                                    спрошу у эксплуатационщиков, какие цифры реально рабочие.
                                                    • 0
                                                      максимальная длинна канала — 2000 метров в зависимости от приложения…
                                                      • 0
                                                        Не знаю, как в остальных городах, но у нас в связи с появлением доступных одномодовых конверторов многомод практически никто уже не тянет.
                                                      • 0
                                                        все тонкости можете глянуть в самом стандарте на стр. 111 и 112 в таблицах F.4 и F.5 соответственно
                                                    • 0
                                                      Эх, это все в универе на парах рассказывали. Оптик-лазерщик я по образованию, но подался в программисты. Помню на лабах мы волокна спаивали, полировали, меряли затухания. Но это все на первый взгляд интересно, рутины там много, формул всяческих сложных.
                                                      • 0
                                                        поэтому я их (формулы) и не трогал, так как по образованию далеко не оптик-лазерщик.
                                                        • 0
                                                          не-не-не, я не в укор вам написал, извините если так получилось. Это я громко вспомнил про почти законченый универ и в часности пары «Волоконно-оптические линии связи».
                                                      • 0
                                                        Интересный материал! На Хабре ещё не освещался, на сколько я помню.
                                                        • 0
                                                          В передаче How it's made на Discovery показывали как делают оптоволокно. Очень позновательно увидеть это все в живую:)

                                                        • 0
                                                          Обязательно стоит продолжить цикл статей. В дальнейшем можно было бы написать про транспортные системы (STM), про PDH/SDH. Было бы очень интересно (я несколько лекций в свое время по PDH/SDH пропустил).
                                                          • 0
                                                            а кто слышал про кристалы разделения сигнала?
                                                            • 0
                                                              Вы имеете в виду интегрально-оптические (де-)мультиплексоры?
                                                              (То бишь разделение сигнала по отдельным частотным каналам)
                                                              • 0
                                                                нет, нет, не мультиплексторы. а менно кристалы. новая техналогия, очень мало про нее знаю, информации на русском практически нет.
                                                                уже внедрена в швейцарии и внедряется во франции. если интересно чуть позже поподробней

                                                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.