Оптическое волокно физические характеристики кратко

Обновлено: 01.07.2024

Современные тенденции развития телекоммуникационных сетей все больше склоняются к использованию оптических линий связи. Если до недавнего времени "оптика" применялась только для глобальных сетей, то сейчас она начинает составлять конкуренцию традиционным кабельным сетям 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 оптическое волокно разных видов, о котором и пойдет речь в этой статье.

Принцип действия и основные рабочие параметры оптоволокна

Оптическое волокно представляет собой светопрозрачный материал в виде нитей небольшого диаметра круглого сечения. Оно функционирует, как волновод, по которому осуществляется передача фотонов в видимом или инфракрасном диапазоне спектра. Принципиальная конструкция любого оптоволокна 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 и структура защитной оболочки различных марок оптоволоконного кабеля могут варьироваться в широком диапазоне. Поэтому при его выборе следует обращать внимание не только на тип сердцевины.

Передача данных по оптоволокну производится в виде светового импульса с определённой модуляцией. Луч света многократно отражается от оптической оболочки и распространяется по сердцевине с высокой скоростью и на значительные расстояния. При этом в зависимости от изначального угла, под которым световые волны попадают в сердцевину, возможна передача нескольких потоков информации одновременно.

Одним из ключевых параметров, определяющих эффективность передачи информации, является показатель преломления оболочки сердцевин. Однако не менее важен профиль параметра преломления сердцевины — он описывает зависимость величины коэффициента преломления от величины поперечного сечения оптического волокна. 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 сердцевины к периферии, 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. По мере его прохождения по оптическому волноводу. Это явление вызывается сочетанием различных физических процессов, среди которых ключевыми являются длина волны электромагнитного излучения видимого спектра. Данный показатель измеряется в дБ/км. Затухание определяет фактическую дальность передачи сигнала (без ретранслятора) по оптоволокну разных типов.

Дисперсия. Характеризуется увеличением диапазона частоты светового импульса. 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 дисперсии 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 оптоволокон. Условно их можно классифицировать по следующим характеристикам:

Активное оптоволокно - усиливают световое излучение при передаче. Имеют ряд существенных отличий по сравнению с обычными (пассивными) оптическими волокнами:

Конструкция - особый размер и форма светопрозрачной сердцевины;

Химический состав - легированы различными 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. Используются как основной элемент отражателя (резонатора) в лазерных установках, как чувствительный сенсор и т.п.

Фоточувствительные - сердцевина легированная бромом и/или германием;

Устойчивые к агрессивным средам - граничным температурам, парам кислот, высококонцентрированному водороду и т.п. Имеют самую разнообразную область применения, к примеру, нефтяные скважины и т.п.

Однако наибольшее распространение получили типы оптических волокон, которые используются в телекоммуникационных сетях, для передачи больших объемов данных на значительные расстояния. Основными параметрами, по которым выполняется деление телекоммуникационного оптоволокна на типы, являются:

Материал изготовления сердцевины оптической оболочки - кварцевое стекло и полимеры с различными добавками (легированием);

Геометрическая форма и габаритные размеры сердцевины, определяющие параметры преломления световых волн. В зависимости от этого появляется возможность одновременной передачи нескольких световых импульсов (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:

Оптоволокно с кварцевым сердечником и полимерной оболочкой - HCS.

В связи с более широкой областью применения и востребованностью коммуникационных оптоволоконных кабелей более подробно опишем перечисленные типы оптического волокна.

Кварцевое многомодовое оптическое волокно

Кварцевое многомодовое волокно (MM - Multi-mode) является одним из первых типов телекоммуникационной оптики. В соответствии с названием и сердцевина, и оболочка изготавливаются из кварцевого 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 межмодовой дисперсии, что позволяет значительно увеличить дальность передачи сигнала.

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

Многомодовое оптоволокно применяется для передачи электромагнитных волн в диапазоне 850 и 1310 нм. Для волн такой длины 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:

ОМ1 - стандарт 62,5 / 125 мкм;

ОМ2 – стандарт 50/125 мкм;

ОМ3 – волокно модернизировано для лучшей совместимости с лазером, 50/125 мкм

ОМ4 – оптимизированное волокно с улучшенными характеристиками, предназначенное для работы с лазером, 50/125 мкм.

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

Различные типы многомодового оптоволокна имеют свою специфику применения:

ОМ2-4 - применяется для передачи данных на небольших и средних расстояниях, которые, как правило, не превышают несколько сотен метров. При этом основными объектами применения являются датацентры;

ОМ1 - имеет ту же специфику использования, однако применяется чаще на промышленных объектах;

Ом3-4 - используется для обеспечения гигабитных каналов.

Несмотря на то, что многомодовое оптоволокно обладает значительно лучшими эксплуатационными характеристиками, чем одномодовое, оно всё ещё сохраняет свою актуальность на телекоммуникационных объектах любого уровня. Причина заключается в широком ассортименте соединительных элементов, конвекционного и другого оборудования. Кроме того, стоимость аксессуарам и периферийного оборудования для толстых многомодовых кабелей значительно ниже за счёт меньших требований к допускам.

Кварцевое одномодовое оптическое волокно

На высокое качество сигнала также влияет чрезвычайно низкий показатель затухания, составляющий менее 0,4 дБ/км. При этом диапазон электромагнитного излучения одномодового оптоволокна, которое используются в коммуникационных сетях, может составлять 1310-1500 мкм. При производстве одномодового оптического волокна могут использоваться различные покрытия и технологии спектрального уплотнения, что позволяет передавать световые волны в других рабочих диапазонах.

Кварцевые одномодовые оптические волокна делят на два основных класса в соответствии с различными нормативами (ISO/IEC 11801 - международный стандарт, EN 50173 - европейский стандарт) и по аналогии с многомодовым оптоволокном: OS1 и OS2. Однако многие специалисты отмечают довольно запутанные параметры определяющие разделение по этой классификации. Поэтому, рекомендуется ориентироваться на норматив ITU-T G.652-657, который оперирует широким ассортиментом типов одномодовой оптики.

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

Тип одномодового волокна

Показатель длина волны при нулевой хроматической дисперсии

Рекомендуемая область использования

G.652 С несмещенной дисперсией

1300 нм (при нулевой дисперсии)

Стандартные и магистральные телекоммуникационные сети

G.653 С нулевой дисперсией

Используются для трансляции волн при длине 1550 нм

G.654 Со смещением длиной волны отсечки

В магистральных телекоммуникационных сетях

G.655 С ненулевой дисперсией

1530-1565 нм – дисперсия существует, но незначительная

Телекоммуникационные линии со спектральным уплотнением

Каналы типа DWDM

G.656 С ненулевой смещенной дисперсией и широкополосной передачи

Телекоммуникационные линии со спектральным уплотнением

Каналы типа DWDM/CWDM

G.657 С отсутствующими потерями при макроизгибе

Имеет уменьшенный радиус изгиба с минимизацией потерь на нем

Используется для прокладки в стесненных условиях ограниченного пространства

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

С покрытием из высокотемпературного акрилата - рабочий диапазон передаваемых волн 1520 - 1650 нм. Диаметр сердечника (модовое поле) 5-10 мкм при диаметре оптической оболочки 80 до 125 мкм. Выдерживает температуры до 150С;

С полиамидным покрытием - рабочий диапазон передаваемых волн 1260 - 1650 нм. Диаметр сердечника, 4-9,9 мкм при диаметре оптической оболочки 50 до 125 мкм. Выдерживает температуры до 300С;

С карбоновым покрытием (карбон полиимидное или карбон акрилатное) - рабочий диапазон передаваемых волн 1260 - 1650 нм. Диаметр оптической оболочки 125 мкм.

Пластиковое оптоволокно (POF)

Пластиковое или полимерное оптоволокно разрабатывалось, как бюджетная альтернатива кварцевому, к тому же обладающая целым перечнем физико-механических преимуществ. Как правило POF представлены в виде волокон с большим диаметром сердцевины. Размеры различных марок могут немного варьироваться, но наиболее часто встречается типоразмер 980/1000 мкм сердцевина и оболочка соответственно.

Полимерные волокна производятся из оргстекла – полиметилметакрилата. Они имеют ступенчатый показатель преломления светового импульса. И по сравнению даже с многомодовым кварцевым оптоволокном характеризуется очень высокими потерями сигнала, доходящими до 100-200 дБ/км, в зависимости от типа. Поэтому наиболее целесообразно использовать данный тип в сочетании с оптическим оборудованием работающим в видимом диапазоне светового спектра, на который приходится минимальный показатель потерь сигнала: 520, 560 и 650 нм. Это позволяет использовать бюджетное оборудование, где в качестве источников светового 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 кабелем имеют доступную цену.

Преимущества и технические ограничения пластикового оптического волокна обуславливают область его использования. Это коммуникационные линии, к которым предъявляются высокие требования по устойчивости к внешним воздействиям и эксплуатационной простоты. При этом коммуникационные параметры не являются ключевыми, так как передача данных осуществляется на небольшие расстояния. Это могут быть детали различных приборов и детекторов, медицинского и инженерного оборудования, локальные корпоративные и даже домашние сети передачи данных.

Кварцевое с полимерной оболочкой (HCS)

Последний вариант оптических волокон стал попыткой объединить кварц и полимеры в одном изделии, чтобы получить преимущества обоих материалов. У этого типа оптики сердцевина изготовлена из чистого или модифицированного добавками кварца, а ее оболочка состоит из жестких полимеров - H(P)CS.

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

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

Благодаря значительно меньшим потерям при затухании сигнала, телекоммуникационные HCS кабеля могут использоваться для передачи данных на несколько километров.

Заключение

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) давно занимают одну из лидирующих позиций на рынке телекоммуникаций. Имея ряд преимуществ перед другими способами передачи информации (витая пара, коаксиальный кабель, беспроводная связь…), ВОЛС широко используются в телекоммуникационных сетях разных уровней, а также в промышленности, энергетике, медицине, системах безопасности, высокопроизводительных вычислительных системах и во многих других областях.

Передача информации в ВОЛС осуществляется по оптическому волокну (optical fiber). Для того чтобы грамотно подойти к вопросу использования ВОЛС, важно хорошо понимать, что из себя представляет оптическое волокно как среда передачи данных, каковы его основные свойства и характеристики, какие бывают разновидности оптических волокон. Именно этим базовым вопросам теории волоконно-оптической связи и посвящена данная статья.

Структура оптического волокна

Оптическое волокно (оптоволокно) – это волновод с круглым поперечным сечением очень малого диаметра (сравним с толщиной человеческого волоса), по которому передается электромагнитное излучение оптического диапазона. Длины волн оптического излучения занимают область электромагнитного спектра от 100 нм до 1 мм, однако в ВОЛС обычно используется ближний инфракрасный (ИК) диапазон (760-1600 нм) и реже – видимый (380-760 нм). Оптическое волокно состоит из сердцевины (ядра) и оптической оболочки, изготовленных из материалов, прозрачных для оптического излучения (рис. 1).

Рис. 1. Конструкция оптического волокна

Свет распространяется по оптоволокну благодаря явлению полного внутреннего отражения. 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, распространяющиеся в сердцевине под углом, не превышающим некоторое критическое значение, претерпевают полное внутреннее отражение от оптической оболочки (рис. 2). Это следует из закона преломления Снеллиуса. Путем многократных переотражений от оболочки эти волны распространяются по оптическому волокну.

Рис. 2. Полное внутреннее отражение в оптическом волокне

На первых метрах оптической линии связи часть световых волн гасят друг друга вследствие явления интерференции. Световые волны, которые продолжают распространяться в оптоволокне на значительные расстояния, называются пространственными модами оптического излучения. Понятие моды описывается математически при помощи уравнений Максвелла для электромагнитных волн, однако в случае оптического излучения под модами удобно понимать траектории распространения разрешенных световых волн (обозначены черными линиями на рис. 2). Понятие моды является одним из основных в теории волоконно-оптической связи.

Основные характеристики оптического волокна

Способность оптического волокна передавать информационный сигнал описывается при помощи ряда геометрических и оптических параметров и характеристик, из которых наиболее важными являются затухание и дисперсия .

1. Геометрические параметры.

Помимо соотношения диаметров сердцевины и оболочки, большое значение для процесса передачи сигнала имеют и другие геометрические параметры оптоволокна, например:

некруглость (эллиптичность) сердцевины и оболочки, определяемая как разность максимального и минимального диаметров сердцевины (оболочки), деленная на номинальный радиус, выражается в процентах;
неконцентричность сердцевины и оболочки – расстояние между центрами сердцевины и оболочки (рис. 3).

Рис 3. Некруглость и неконцентричность сердцевины и оболочки

Геометрические параметры стандартизированы для разных типов оптического волокна. Благодаря совершенствованию технологии производства значения некруглости и неконцентричности удается свести к минимуму, так что влияние неточности геометрии оптоволокна на его оптические свойства оказывается несущественным.

2. Числовая апертура.

Числовая апертура (NA) – это синус максимального угла падения луча света на торец волокна, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения (рис. 4). Этот параметр определяет количество мод, распространяющихся в оптическом волокне. Также величина числовой апертуры влияет на точность, с которой должна производиться стыковка оптических волокон друг с другом и с другими компонентами линии.

Рис 4. Числовая апертура

3. Профиль показателя преломления.

Профиль показателя преломления – это зависимость показателя преломления сердцевины от ее поперечного радиуса. Если показатель преломления остается одинаковым во всех точках поперечного сечения сердцевины, такой профиль называется ступенчатым. Среди других профилей наибольшее распространение получил градиентный профиль, при котором показатель преломления плавно увеличивается от оболочки к оси (рис. 5). Помимо этих двух основных, встречаются и более сложные профили.

Рис. 5. Профили показателя преломления

4. Затухание (потери).

Затухание – это уменьшение мощности оптического излучения по мере распространения по оптическому волокну (измеряется в дБ/км). Затухание возникает вследствие различных физических процессов, происходящих в материале, из которого изготавливается оптоволокно. Основными механизмами возникновения потерь в оптическом волокне являются поглощение и рассеяние.

а) Поглощение. В результате взаимодействия оптического излучения с частицами (атомами, ионами…) материала сердцевины часть оптической мощности выделяется в виде тепла. Различают собственное поглощение, связанное со свойствами самого материала, и примесное поглощение, возникающее из-за взаимодействия световой волны с различными включениями, содержащимися в материале сердцевины (гидроксильные группы OH - , ионы металлов…).

б) Рассеяние света, то есть отклонение от исходной траектории распространения, происходит на различных неоднородностях показателя преломления, геометрические размеры которых меньше или сравнимы с длиной волны излучения. Такие неоднородности являются следствием как наличия дефектов структуры волокна (рассеяние Ми), так и свойствами аморфного (некристаллического) вещества, из которого изготавливается волокно (рэлеевское рассеяние). Рэлеевское рассеяние является фундаментальным свойством материала и определяет нижний предел затухания оптического волокна. Существуют и другие виды рассеяния (Бриллюэна-Мандельштама, Рамана), которые проявляются при уровнях мощности излучения, превышающих те, которые обычно используются в телекоммуникациях.

Величина коэффициента затухания имеют сложную зависимость от длины волны излучения. Пример такой спектральной зависимости приведен на рис. 6. Область длин волн с низким затуханием называется окном прозрачности оптического волокна. Таких окон может быть несколько, и именно на этих длинах волн обычно осуществляется передача информационного сигнала.

Рис. 6. Спектральная зависимость коэффициента затухания

Потери мощности в волокне обуславливаются также различными внешними факторами. Так, механические воздействия (изгибы, растяжения, поперечные нагрузки) могут приводить к нарушению условия полного внутреннего отражения на границе сердцевины и оболочки и выходу части излучения из сердцевины. Определенное влияние на величину затухания оказывают условия окружающей среды (температура, влажность, радиационный фон…).

Поскольку приемник оптического излучения имеет некоторый порог чувствительности (минимальную мощность, которую должен иметь сигнал для корректного приема данных), затухание служит ограничивающим фактором для дальности передачи информации по оптическому волокну.

5.Дисперсионные свойства.

Помимо расстояния, на которое передается излучение по оптическому волокну, важным параметром является скорость передачи информации. Распространяясь по волокну, оптические импульсы уширяются во времени. При высокой частоте следования импульсов на определенном расстоянии от источника излучения может возникнуть ситуация, когда импульсы начнут перекрываться во времени (то есть следующий импульс придет на выход оптического волокна раньше, чем закончится предыдущий). Это явление носит название межсимвольной интерференции (англ. ISI – InterSymbol Interference, см. рис. 7). Приемник обработает полученный сигнал с ошибками.

Рис. 7. Перекрывание импульсов, вызывающее межсимвольную интерференцию: а) входной сигнал; б) сигнал, прошедший некоторое расстояние L1 по оптическому волокну; в) сигнал, прошедший расстояние L2>L1.

Уширение импульса, или дисперсия, обуславливается зависимостью фазовой скорости распространения света от длины волны излучения, а также другими механизмами (табл. 1).

Таблица 1. Виды дисперсии в оптическом волокне.

Коэффициент хроматической дисперсии, пс/(нм*км).

Ширина полосы пропускания (bandwidth), МГц*км.

Коэффициент PMD, пс/√км.

Таким образом, дисперсия в оптическом волокне отрицательно сказывается как на дальности, так и на скорости передачи информации.

Разновидности и классификация оптических волокон

Рассмотренные свойства являются общими для всех оптических волокон. Однако описанные параметры и характеристики могут существенно отличаться и оказывать различное влияние на процесс передачи информации в зависимости от особенностей производства оптоволокна.

Фундаментальным является деление оптическим волокон по следующим критериям.

Материал. Основным материалом для изготовления сердцевины и оболочки оптического волокна является кварцевое стекло различного состава. Однако используется большое количество других прозрачных материалов, в частности, полимерные соединения.
Количество распространяющихся мод. В зависимости от геометрических размеров сердцевины и оболочки и величины показателя преломления в оптическом волокне может распространяться только одна (основная) или же большое количество пространственных мод. Поэтому все оптические волокна делят на два больших класса: одномодовые и многомодовые (рис. 8).

Рис. 8. Многомодовое и одномодовое волокно

На основании этих факторов можно выделить четыре основных класса оптических волокон, получивших распространение в телекоммуникациях:

Кварцевое многомодовое волокно.
Кварцевое одномодовое волокно.
Пластиковое, или полимерное, оптическое волокно (POF).
Кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS).

Каждому из этих классов посвящена отдельная статья на нашем сайте. Внутри каждого из этих классов также существует своя классификация.

Производство оптических волокон

Процесс изготовления оптического волокна крайне сложен и требует большой точности. Технологический процесс проходит в два этапа: 1) создание заготовки, представляющей собой стержень из выбранного материала со сформированным профилем показателя преломления, и 2) вытягивание волокна в вытяжной башне, сопровождающееся покрытием защитной оболочкой. Существует большое количество различных технологий создания заготовки оптического волокна, разработка и совершенствование которых происходит постоянно.

Волоконно-оптические кабели

Практическое использование оптического волокна в качестве среды передачи информации невозможно без дополнительного упрочнения и защиты. Волоконно-оптическим кабелем называется конструкция, включающая в себя одно или множество оптических волокон, а также различные защитные покрытия, несущие и упрочняющие элементы, влагозащитные материалы. По причине большого разнообразия областей применения оптоволокна производители выпускают огромное количество самых разных волоконно-оптических кабелей, отличающихся конструкцией, размерами, используемыми материалами и стоимостью (рис. 9).

Оптические волокна (ОВ), уложенные в оптический кабель (ОК) для защиты их от внешних воздействий при эксплуатации линии связи и сохранения при строительно-монтажных работах, вот уже более 40 лет используются в качестве среды передачи сигнала. За всё это время было разработано и стало применяться огромное количество видов оптоволокна, обладающих различными свойствами, что даёт возможность применять их для решения разнообразных задач.

В данном обзоре рассмотрим ключевые свойства ОВ и области их применения. Почитать о конструкции и принципе работы волокна в качестве световода можно в статье, посвящённой оптическим кабелям с ОВ двух основных типов — одномодовыми и многомодовыми.

Знание параметров ОВ и ОК нужно не только инженерам-проектировщикам систем связи, но и менеджерам разного уровня, принимающим решения по развитию сети и закупке ОК, а также всем, кто хочет получить более подробную информацию о факторах, которые могут быть решающими для конкретных применений. Дополнительные сведения можно также получить и из первых рук — от компаний-производителей.

Оптическое волокно для промышленных целей выпускается как кабельными (в основном для собственных кабелей), так и специализированными зарубежными компаниями: Alcatel, Corning, Fujikura, OFS (Furukawa), Sumitomo и др.

Ниже рассмотрим классификацию промышленно выпускаемых одномодовых и многомодовых ОВ и их характеристики.

Классификация промышленных типов оптических волокон

Оптическое волокно или световод — это гибкий и прозрачный (стеклянный или пластмассовый) цилиндрический стержень с поперечным сечением в форме круга. Он состоит из трех слоев: сердцевины, оболочки и покрытия.

Существуют четыре основных параметра, по которым обычно проводят классификацию типов оптоволокна:

по числу распространяющихся в них типов волн или мод: многомодовые (ММ) и одномодовые (ОМ);
по профилю показателя преломления: ступенчатый, параболический (градиентный) и специальный;
по типу характеристики дисперсионного параметра D: SF (стандартное), DSF (со сдвигом нуля дисперсии), NZDSF (с ненулевой смещенной дисперсией) и ZWP (с нулевым водяным пиком);
по знаку дисперсионного параметра D: для перечисленных выше типов ОВ он положителен в области рабочих длин волн, а у DSF — волокно для компенсации дисперсии D отрицательно, это ОВ специального типа используется в модулях компенсации дисперсии DCM.

Кроме этого, существует ряд других ОВ специального типа с узко специализированным назначением.

Классификация многомодовых ОВ

ММ волокна по профилю показателя преломления делятся на:

волокна со ступенчатым (прямоугольным) профилем показателя преломления;
волокна со сглаженным (типа квадратичной параболы) профилем показателя преломления, также называемым градиентным.

Кроме того, они (условно) делятся на четыре класса в зависимости от материала ОВ:

класс А1: стекло/стекло, диаметры сердцевины/оболочки: 50/125, 62,5/125, 85/125 и 100/140 мкм;
класс А2: стекло/стекло, диаметры сердцевины/оболочки: 200/240 мкм;
класс АЗ: стекло/пластмасса, диаметры сердцевины/оболочки: 200/280 мкм;
класс А4: пластмасса/пластмасса, диаметры сердцевины/оболочки: 980/ 1000 мкм.

В телекоммуникационных системах применяются почти исключительно волокна класса А1 (практически только первые два типоразмера). Учитывая относительно большое затухание ММ волокна, оно используется при прокладке внутри объектов или на небольшие расстояния до 1–2 км. В этой связи его основным потребителем являются локальные сети, а не сети связи, ориентированные на одномодовые ОВ.

Кроме того, стандарт ISO/IEC 11801 (начиная с версии 2002 г.) определил четыре категории ММ ОВ: ОМ1, ОМ2, ОМЗ и OM4 и, соответственно, четыре класса ММ ОВ каналов, отличающихся значением широкополосности. Максимальный по этому параметру класс позволяет многомодовым ОВ обеспечить дальность передачи гигабитного Ethernet (GE) 3 км.

Классификация одномодовых ОВ

ОМ волокна обычно изготавливаются из кварцевого стекла (SiO₂), имеют постоянный диаметр оболочки 125 мкм, а диаметр сердцевины составляет 7–10 мкм, однако нормируемым параметром является диаметр модового поля (8–11 мкм), который лучше характеризует потери при вводе света в ОВ и зависит от длины волны (фактически он на 10–12 % больше диаметра сердцевины). Методы измерения этого параметра определены стандартами: европейскими IEC 793-1-С9 и американскими EIA/TIA-455-164/-165/-167А.

По профилю показателя преломления

волокна со ступенчатым (прямоугольным) профилем ПП;
волокна с профилем ПП специального типа в форме трезубца, простого треугольника, сегментированного треугольника, треугольника на прямоугольном пьедестале, W-образного профиля, многоступенчатого (квадругольного) профиля и др.

Изменение профиля ПП позволяет изменить положение точки нулевой дисперсии, наклон дисперсионной кривой и значение дисперсии в конкретной области длин волн.

По характеристике дисперсии

Профили ПП определяют не только уровень и характер изменения дисперсии, но и тип одномодового ОВ. Как правило, выделяют 3 типа профилей: для ОВ без сдвига дисперсии, со сдвигом нуля дисперсии в третье окно прозрачности (вблизи 1550 нм) и с выравниванием дисперсии (в определенном диапазоне третьего окна прозрачности, т. е. также вблизи 1550 нм). В соответствии с этим ОМ волокно делят на:

Классификация специальных типов волокон

В связи с развитием систем с WDM и оптических усилителей (ОУ), а также ряда специальных применений появились специальные типы оптических волокон:

кварцевое оптоволокно для компенсации дисперсии — DCF (Dispersion Compensation Fiber) — ОВ, используемое в специальных модулях компенсации дисперсии — МКД или DCM (Dispersion Compensation Module);
кварцевое ОВ, легированное эрбием — EDF (Erbium Dropped Fiber) — ОВ, используемое в оптических усилителях типа EDFA (Erbium Dropped Fiber Amplifier, эрбиевый оптический усилитель);
кварцевое ОВ, легированное неодимом — NDF (Neodim Dropped Fiber) — ОВ, используемое в ОУ типа NDFA (Neodim Dropped Fiber Amplifier, неодимовый оптический усилитель);
волокно, сохраняющее (состояние) поляризации — PMF (Polarization Maintaining Fiber) — ОВ, используемое в целом ряде волоконных датчиков, требующих сохранения состояния поляризации;
кварцевое оптическое волокно для УФ спектра (например ОВ, используемое в диапазоне 190–250 нм для различных применений);
брэгговское волокно — кварцевое ОВ с большой площадью поперечного сечения сердцевины (с диаметром сердцевины 300–800 мкм для создания световых потоков большой яркости и мощности, используемых при измерении и для транспортировки лазерных пучков большой мощности);
фотонно-кристаллическое волокно — ОВ на основе технологии фотонных кристаллов — ФКВ или PCF (Photonic Crystal Fiber) — новое фотонно-кристаллическое волокно, применяемое для создания соединительных шнуров лазерного и оптического усилительного оборудования.

Ниже рассмотрены основные типы и характеристики современных оптических волокон, выпускаемых (как для целей магистральной связи, так и специальных ОВ) компаниями-производителями Corning, Fujikura и Sumitomo — наиболее широко представленными на российском рынке.

Волокно, используемое производителями кабельной продукции, может свободно выбираться потребителями для обеспечения своих конкретных нужд на стадии оформлении заказа. Для удобства потребителя сведения о параметрах ОВ и рекомендуемые стандартами ITU-T значения обычно представляются в виде таблиц. Эти таблицы можно найти в описаниях стандартов, а также в спецификациях производителей волокна.

Подписывайтесь на канал ВОЛС.Эксперт

Показываем, как правильно выполнять монтаж оптических муфт и кроссов, разбираем частые ошибки, даем полезные советы специалистам.

Основные характеристики ММ волокон

Основные параметры ММ ОВ описаны и регламентированы в рек. G.651. Однако рек. G.651 не отражает, естественно, все разнообразие марок ММ ОВ. Значительно более информативны спецификации, приводимые в каталогах компаниями-производителями.

Параметры, перечисленные в спецификациях, как правило, достаточно понятны, однако некоторые из них нуждаются в пояснении.

Тип волокна — стандартное или градиентное ММ ОВ. Иногда градиентное ОВ обозначается как GIF;
Рабочие окна прозрачности — приведены только используемые окна: в окрестности 850 нм и 1310 нм;
Затухание, прирост затухания, полоса пропускания, хроматическая дисперсия и групповой показатель преломления даются для двух длин волн — 850 и 1310 нм, соответствующих используемым окнам прозрачности;
Широкополосность или параметр BW(band width) — имеет размерность [МГц∙км], т. е. соответствует ширине полосы, обеспечиваемой ВОЛС на длине 1 км (этот параметр иногда называют коэффициентом широкополосности, хотя правильнее говорить об относительной/нормированной полосе пропускания). Для ВОЛС длины L фактически обеспечиваемая полоса вычисляется как BW/L, т. е. она обратно пропорциональна длине линии. Этот параметр нормируется только для ММ ОВ, для которых трудно вычислить эквивалентную модовую дисперсию. Компания Corning чаще указывает гарантированное расстояние передачи гигабитного (GE) или 10-гигабитного (10GE) Ethernet, что более информативно, т. к. учитывает фактическую BW сигнала Ethernet.
Динамическая усталость — фактор сопротивления динамической усталости, определяющий способность ОВ противостоять долговременным механическим нагрузкам (чем выше n, тем больше надежность волокна).

Одномодовые ОВ, регламентированные стандартами ITU-T

Основные параметры ОМ ОВ описаны и регламентированы в рек. ITU-T G.650, G.652–657, которые используются в основном для ссылок в официальных документах на тип волокна. В них, однако, приводятся основные (чаще всего предельные) характеристики ОВ соответствующих категорий (типов).

ITU-T (МСЭ-Т) регламентируют шесть типов ОМ ОВ, а именно:

Каталоги оптического волокна позволяет проектировщикам ВОЛС ориентироваться в типе и параметрах одномодовых ОВ, на которые производители ссылаются чаще всего по названию стандарта.

Основные характеристики ОМ волокон

Ряд других параметров — механических, точностных и температурных — обычно отражен в меньшей степени.

Оптическое волокно физические характеристики кратко

Принцип действия и основные рабочие параметры оптоволокна

Классификация оптических волокон по материалу изготовления

Кварцевое многомодовое оптическое волокно

Кварцевое одномодовое оптическое волокно

Пластиковое оптоволокно (POF)

Кварцевое с полимерной оболочкой (HCS)

Заключение

Структура оптического волокна

Основные характеристики оптического волокна

1. Геометрические параметры.

2. Числовая апертура.

3. Профиль показателя преломления.

4. Затухание (потери).

5.Дисперсионные свойства.

Таблица 1. Виды дисперсии в оптическом волокне.

Разновидности и классификация оптических волокон

Производство оптических волокон

Волоконно-оптические кабели

Классификация промышленных типов оптических волокон

Классификация многомодовых ОВ

Классификация одномодовых ОВ

По профилю показателя преломления

По характеристике дисперсии

Классификация специальных типов волокон

Основные характеристики ММ волокон

Одномодовые ОВ, регламентированные стандартами ITU-T

Основные характеристики ОМ волокон

Рекомендации по применению оптических волокон в системах связи

Типы используемых волокон и их технические характеристики

Одномодовое волокно

Геометрические характеристики

Оптические характеристики

Затухание при изгибе

Механические характеристики

Параметры влияния окружающей среды

Эксплуатационные характеристики

Одномодовые волокна

Геометрические характеристики

Передаточные характеристики

Многомодовые волокна

Геометрические характеристики

Передаточные характеристики