Оптоволокно: типы оптического волокна, применяемого в телекоммуникационных сетях

Современные тенденции развития телекоммуникационных и компьютерных сетей все больше склоняются к использованию оптических волоконных коммуникаций связи вместо традиционных медных кабелей. Если до недавнего времени подобные волокна использовали только для глобальных сетей, то сейчас она начинает составлять конкуренцию традиционным кабельным коммуникациям связи с металлическими (медными) токопроводящими сердечниками, а также технологиям беспроводной передачи данных. Учитывая, что ежегодно внедряются новые технологии, снижающие производственные затраты, волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) начинают применяться всё ближе к конечному пользователю. Основой кабелей, используемых в ВОЛС, является оптоволокно разных видов, о котором и пойдет речь в этой статье.

Принцип действия и основные рабочие параметры оптоволокна

Оптическое волокно (optical fiber) представляет собой светопрозрачный материал в виде нитей небольшого размера круглого сечения. Оно функционирует, как волновод, по которому осуществляется передача фотонов в видимом или инфракрасном диапазоне спектра со скоростью света. Альтернативные названия: стекловолокно, оптоволокно, оптика.

Оптоволоконный кабель состоит из двух основных элементов: сердцевины и оболочки. Одно или несколько таких волокон, объединенных в одну структуру и покрытых различными защитными материалами, является волоконно-оптическим кабелем.

Следует заметить, что в зависимости от области применения и внешних эксплуатационных характеристик материалы самого оптоволокна и структура защитной оболочки различных марок оптоволоконного кабеля могут варьироваться в широком диапазоне. Поэтому при его выборе следует обращать внимание не только на тип центрального элемента кабеля.

Передача данных по ВОЛС производится в виде импульса с определённой модуляцией. Луч света многократно отражается от оптической оболочки и распространяется по центральной части оптоволоконного кабеля с высокой скоростью и на значительные удаления. При этом в зависимости от изначального угла, под которым колебания света попадают в сердцевину, возможна отправка нескольких потоков информации одновременно.

Одним из ключевых параметров, определяющих эффективность передачи информации, является показатель преломления в защитных слоях центральной части. Однако не менее важен профиль параметра преломления сердцевины — он описывает зависимость величины коэффициента преломления от величины поперечного сечения оптоволокна. Если профиль преломление остаётся стабильным на всей протяженности оптоволоконного кабеля, то он называется ступенчатым. Если этот показатель изменяемый, кроме того он уменьшается, от центральной оси к периферии провода, то он получает название градиентный. Встречаются марки волоконно-оптического кабеля, у которых профиль показателя преломления сердцевины описывается более сложными формулами.

Среди главных рабочих, параметров, описывающих эксплуатационные характеристики оптического волокна специалисты выделяют следующие:

• Затухание. Эффект постепенного снижения мощности оптического импульса в волоконном проводе по мере его прохождения по волноводу. Это явление вызывается сочетанием разных физических процессов, среди которых ключевыми являются длина волны электромагнитного излучения видимого спектра. Коэффициент затухания измеряется в децибелах на километр и определяет фактическую дальность отправки сигнала (без ретранслятора) по волоконно-оптическому кабелю разных типов.
• Дисперсия. Характеризуется увеличением диапазона частоты импульса света в нм. Такое явление получило наименование оптического уширения. Негативный эффект заключается в перекрывании диапазона соседних импульсов, передаваемых одновременно, что проявляется в возникновении ошибок при приеме и расшифровке данных. Эффект негативно влияет как на скорость передачи данных, так и на максимально допустимое расстояние трансляции.

Классификация оптических волокон по материалу изготовления

На данный момент для коммерческого использования доступна довольно широкая номенклатура оптоволоконных линий. Условно их можно классифицировать по следующим характеристикам:

• Активное оптоволокно — усиливают излучение света. Имеют ряд существенных отличий по сравнению с обычными (пассивными) оптическими волокнами.
• Конструкция — особый размер и форма светопрозрачной центральной части.
• Химический состав — легированы тулием, неодимом, эрбием, иттербием.
• Имеют особый вид покрытия оболочки с повышенными характеристиками отражения.
• С повышенной фоторефрактивностью — отличаются высоким содержанием диоксида германия в качестве легирующего элемента световедущей сердцевины. Применяют как основной элемент отражателя (резонатора) в лазерных установках, как чувствительный сенсор и т.п.
• Фоточувствительные — внутренность оптоволокна легирована бромом и/или германием.
• Устойчивые к агрессивным средам — граничным температурам, парам кислот, высококонцентрированному водороду и т.п. Подобные волокна и световоды самую разнообразную область применения, к примеру, нефтяные скважины и т.п.

Однако наибольшее распространение получили кабели, которые используются в телекоммуникационной сфере, для передачи больших объемов данных на значительные удаления, например, сеть Интернет. Основными параметрами, по которым выполняется деление телекоммуникационного оптоволокна на виды, являются:

• Материал изготовления центральной части оболочки кабеля связи — кварцевое стекло (стеклянные) и полимеры с добавками (легированием).
• Геометрическая форма и габариты световода, определяющие параметры преломления волн. В зависимости от этого появляется возможность одновременной передачи по кабелю связи нескольких импульсов света (мод) направленных под различными углами. В зависимости от их количества производится дополнительное отделение оптоволоконных кабелей на одно- и многомодовые.

Зависимости от сочетания перечисленных характеристик можно выделить четыре основных группы оптоволоконных кабелей, выпускаемых Москабель-Фуджикура и другими производителями:

• кварцевые одномодовые;
• кварцевые многомодовые;
• полимерные — POF;
• оптоволокно с кварцевым сердечником и полимерной оболочкой — HCS.

В связи с более широкой областью применения и востребованностью коммуникационных оптоволоконных кабелей более подробно опишем перечисленные виды оптоволокна.

Кварцевое многомодовое оптическое волокно

Кварцевое многомодовое волокно (MM — Multi-mode) является одним из первых видов телекоммуникационных кабелей и световодов для систем внутренней передачи данных. В соответствии с названием и сердцевина, и оболочка изготавливаются из стекла. При этом такой показатель преломления может быть, как ступенчатым, так и градиентным. В телекоммуникациях чаще всего используется второй вариант, т. к. он способствует минимизации межмодового распыления, что позволяет значительно увеличить дальность передачи данных.

Многомодовая система передаёт световые импульсы (моды) по разным траекториям, что отображается во времени распространения импульса и приводит к его уширению. Оптоволокно с градиентной разновидностью профиля, в отличие от ступенчатого, сокращает временной промежуток передачи различных мод. Плавное изменение параметров преломления, характерное для градиента, обеспечивает большую скорость передачи мод высшего порядка, которые входят в оптическую сердцевину под острым углом по отношению к оболочке. Моды, передающиеся по траектории системы приближенной к сердцевине, распространяются медленнее. Это приводит к возникновению межмодовой дисперсии, которая снижает скорость и дальность передачи оптического светового сигнала по сравнению с одномодовыми.

Подобные волоконно-оптические кабели применяется для передачи электромагнитных волн в диапазоне 850 и 1310 нм. Для них характерны показатели затухания 3,5 и 1,5 дБ/км. Оно производится в двух типоразмерах: 62,5 / 125 мкм и 50/125 мкм, где первый показатель диаметр сердцевины, а второй оболочки. Рабочие характеристики волокон должны соответствовать международному стандарту ISO/IEC 11801. В соответствии с этим нормативом многомоды делят на 4 класса, которые отличаются шириной пропускной полосы:

1. ОМ1 — стандарт 62,5 / 125 мкм;
2. ОМ2 — стандарт 50/125 мкм;
3. ОМ3 — волокно модернизировано для лучшей совместимости с лазером, 50/125 мкм;
4. ОМ4 — оптимизированное оптоволокно с улучшенными характеристиками, предназначенное для работы с лазером, 50/125 мкм.

Причина, почему более поздние варианты систем оптоволокна адаптируются под работу с лазером, заключается в следующем. Первоначально для подачи данных использовались точечные LED лампы (светодиоды повышенной интенсивности). Позднее после разработки полупроводниковых лазеров структуру оптических волокон оптимизировали для работы с ними.

Варианты подобного оптоволокна от «Москабель Фуджикура», и иных брендов имеют свою специфику применения:

• ОМ2-4 — применяется для подачи данных на небольших и средних расстояниях, которые, как правило, не превышают несколько сотен метров. При этом основными объектами применения продукции являются ЦОД и подобные объекты;
• ОМ1 — имеет ту же специфику использования, однако применяется чаще на промышленных объектах;
• Ом3-4 — используется для создания на базе стекловолокна гигабитных каналов.

Несмотря на то, что подобные волоконно-оптические кабели при внутренней и наружной прокладке обладает значительно лучшими эксплуатационными характеристиками, чем одномодовые, оно всё ещё сохраняет свою актуальность на телекоммуникационных объектах любого уровня. Причина заключается в широком ассортименте соединительных элементов, конвекционного и другого оборудования в подобной системе. Кроме того, стоимость аксессуаров и периферийного оборудования для толстых оптических кабелей значительно ниже за счёт меньших требований к допускам.

Кварцевое одномодовое оптоволокно

Одномодовые оптические волокна SM (Single-mode), имеют небольшой диаметр сердцевины, составляющий 8-10 мкм, при этом диаметр оптической прокладки остается прежним — 125 мкм. Такое строение может транслировать только один световой поток — мод. Отсутствие других потоков излучения существенно улучшает рабочие характеристики оптического кабеля, так как полностью отсутствует такое явление как внутренняя межмодовая дисперсия. В свою очередь, это позволяет существенно увеличить дальность передачи сигнала почти без затухания, который доходит до нескольких сотен километров при скорости 10-40T Гбит/сек. При этом, такие показатели достигаются без применения ретрансляторов и усилителей сигнала.

На высокое качество передачи данных также влияет чрезвычайно низкий показатель затухания, составляющий менее 0,4 децибела на километр прокладки. При этом диапазон электромагнитного излучения одномодового оптоволокна, которое применяют в коммуникационных сетях, может составлять 1310-1500 мкм. При производстве одномодового оптического кабеля для ВОЛС могут использоваться покрытия и технологии спектрального уплотнения, что позволяет транслировать колебания света в других рабочих диапазонах.

Кварцевые одномодовые оптические волокна из стекла делят на два основных класса волоконно-оптических сетей: OS1 и OS2.

1. в соответствии с нормативами (ISO/IEC 11801 — международный стандарт, EN 50173 — европейский стандарт),
2. 2. по аналогии с многомодовым.

Однако многие специалисты отмечают довольно запутанные параметры, определяющие разделение по этой классификации подобного оптоволоконного кабеля. Поэтому, рекомендуется ориентироваться на норматив ITU-T G.652-657, который оперирует широким ассортиментом видов для прокладки одномодовой оптики.

Следует отметить, что отсутствие межмодовой дисперсии в одномодовом волокне кабеля для организации ВОЛС заменяется хроматической, которая также является причиной уширения оптического импульса. Суть подобного явления заключается в том, что невозможно создать идеальную монохроматическую световую волну, даже лазером. Однако существует такая длина одного колебания для каждого конкретного вида одномодового оптоволокна кабеля, когда хроматический неприятный эффект приближается к нулю.

Область максимально эффективного затухания потока данных по стеклу линии связи называется «водным пиком».

Кроме того, по оптической оболочке и дополнительным материалам, входящим в состав сердцевины, можно выделит следующие марки кабелей с одномодовыми волокнами:

• Изотропные кабели, для отправки электромагнитного импульса ИК диапазоне. С длиной в диапазоне 488-1650 нм, имеют диаметр сердечника в диапазоне 2.8 мкм до 9.9 при размере оболочки от 50 до 125 МК.
• Оптоволоконные кабели производства с покрытием из высокотемпературного акрилата — рабочий диапазон 1520 — 1650 нм. Диаметр сердечника (модовое поле) 5-10 мкм при размере оптической оболочки 80 до 125 микрон. Выдерживает температуры до 150С.
• С полиамидным покрытием — рабочий диапазон составляет 1260 — 1650 нм. размер сердечника, 4-9,9 микрон при размере оптической оболочки 50 до 125 мкм. Выдерживает температуры до 300С.
• С карбоновым покрытием (карбон полиамидное или карбон акрилатное) — рабочий диапазон составляет 1260 — 1650 нм. Размер оптической оболочки кабеля составляет 125 мкм.

Пластиковое оптоволокно (POF)

Пластиковая или полимерная оптика — это кабель, который разрабатывался, как бюджетная альтернатива предыдущему типу волокна, к тому же обладающая целым перечнем физико-механических преимуществ. Как правило POF представлены в виде волокон с большой сердцевиной. Размеры марок могут немного варьироваться, но наиболее часто встречается типоразмер 980/1000 мкм сердцевина и оболочка соответственно.

Полимерные волокна, которые содержит волоконная оптика, производятся из оргстекла — полиметилметакрилата. Они имеют ступенчатый показатель преломления светового импульса. И по сравнению даже с многомодовым оптоволокном характеризуется очень высокими потерями, доходящими до 100-200 дБ/км, в зависимости от типа. Поэтому наиболее целесообразно использовать в сочетании с оптическим оборудованием, работающим в видимом диапазоне спектра света, на который приходится минимальный показатель потерь: 520, 560 и 650 нм. Это позволяет использовать бюджетное оборудование, где в качестве источников импульса выступает не лазер, а светодиоды.

Дополнительным преимуществом для оптического кабеля большой площади сечения является существенное упрощение монтажных работ. Изготовление патч-кордов не требует высокой точности и особых профессиональных навыков, допуская большие отклонения. Все приспособления для работы с POF оптоволоконным кабелем имеют доступную цену.

Преимущества и технические ограничения пластикового волокна обуславливают область его использования. Это внутренние и внешние коммуникационные линии, к которым предъявляются высокие требования по устойчивости к внешним воздействиям и эксплуатационной простоты. При этом коммуникационные параметры не являются ключевыми, так как информация здесь может передаваться на небольшие удаления. Это могут быть детали приборов и детекторов, медицинского и инженерного оборудования, локальные корпоративные и даже домашние сетки передачи данных.

Кварцевое с полимерной оболочкой (HCS)

Последний вариант оптических волокон — это провод, который объединяет кварц и полимеры в одном устройстве, чтобы получить преимущества обоих материалов. У этого типа волоконных коммуникаций сердцевина изготовлена из чистого или модифицированного добавками кварца, а ее оболочка состоит из жестких полимеров — H(P)CS.

Наиболее распространённым форм-фактором для HCS является соотношение размеров сердцевины и оболочки 200/230 мкм. Однако в некоторых устройствах, особенно медицинском оборудовании могут встречаться кварц-полимерные волокна с размером сердцевины 300-500 мкм. Соответственно, такой тип проводника является многомодовым волокном.

По своим эксплуатационным характеристикам HCS демонстрирует средние параметры между пластиковыми кварцевыми волокнами. Минимальная потеря сигнала наблюдается при передаче колебаний света с частотой 850 нм и не превышает 1-10 дБ/км. Оборудование, которое может быть использовано для работы с HCS, полностью совместимо с POF волокнами, использующими длину 650 нм. При этом, также подходит активное оборудование, используемое для кабелей с длиной 850 нм.

Благодаря значительно меньшим потерям при ослаблении уровня сигнала, телекоммуникационные оптоволоконные HCS кабели могут использоваться для передачи данных на большие расстояния без потерь, что невозможно для таких аналогов, как витая пара.

Заключение

Как видно из предоставленной информации наибольшей популярностью в коммерческих структурах пользуются не самые «быстрые», а более дешёвые и удобные в использовании волокна производства. При достаточно широком ассортименте оптоволокна, который предлагает современный рынок, наибольшей востребованностью во внутренних устройствах пользуется «пластик» для создания высокопродуктивных локальных сетей и «пластиковый композит» при необходимости создания более продолжительных коммуникаций. Конкретный выбор идет с учётом специфики объекта (внутри помещений, под землёй или по воздуху); какая необходима пропускная способность и дальность; какое будет использоваться оконечное оборудование (роутер); какая нужна степень физической защищённости и защищённости от помех; количество световодов и другие параметры — это определяет ТЗ на тип кабеля.

Чтобы купить оптический кабель обращайтесь к специалистам АО «Москабель-Фуджикура» — мы подберём оптимальный вид кабеля исходя из особенностей спецификации и ваших потребностей.