Какие бывают типы оптических волокон. Чем отличаются одномодовые и многомодовые волокна. Как выбрать оптоволокно для различных задач. Каковы основные характеристики и параметры оптических волокон.
Что такое оптическое волокно и как оно устроено
Оптическое волокно представляет собой тонкую нить из прозрачного материала (обычно кварцевого стекла), по которой передаются световые сигналы. Основными элементами оптоволокна являются:
- Сердцевина — центральная часть, по которой распространяется свет
- Оболочка — окружает сердцевину и обеспечивает отражение света внутрь
- Защитное покрытие — внешний слой для механической защиты
Диаметр сердцевины обычно составляет от 8 до 62.5 мкм, а общий диаметр волокна с оболочкой — 125 мкм. Благодаря эффекту полного внутреннего отражения, свет распространяется по сердцевине практически без потерь на большие расстояния.
Основные типы оптических волокон
По конструкции и характеристикам выделяют два основных типа оптических волокон:
1. Одномодовое оптическое волокно
Имеет очень тонкую сердцевину диаметром 8-10 мкм. По такому волокну распространяется только один луч (мода). Основные особенности:
- Минимальная дисперсия сигнала
- Наименьшее затухание
- Максимальная пропускная способность
- Применяется для передачи на большие расстояния
2. Многомодовое оптическое волокно
Имеет более толстую сердцевину диаметром 50 или 62.5 мкм. По такому волокну одновременно распространяется несколько лучей. Характеристики:
- Более высокая дисперсия сигнала
- Большее затухание по сравнению с одномодовым
- Меньшая пропускная способность
- Применяется на коротких расстояниях (до 2 км)
Ключевые характеристики оптических волокон
При выборе и использовании оптоволокна важно учитывать следующие основные параметры:
Затухание сигнала
Характеризует потери оптической мощности при распространении по волокну. Измеряется в дБ/км. Типичные значения:
- Для одномодового волокна: 0.2-0.4 дБ/км
- Для многомодового волокна: 0.8-3 дБ/км
Чем меньше затухание, тем на большее расстояние можно передать сигнал без усиления.
Дисперсия
Характеризует уширение импульсов при распространении по волокну. Различают:
- Хроматическую дисперсию — вызвана зависимостью скорости света от длины волны
- Модовую дисперсию — вызвана разницей скоростей распространения разных мод
Дисперсия ограничивает скорость передачи данных и дальность связи.
Числовая апертура
Характеризует способность волокна собирать и передавать свет. Определяет максимальный угол ввода излучения в волокно. Типичные значения:
- Для одномодового волокна: 0.1-0.14
- Для многомодового волокна: 0.2-0.3
Применение различных типов оптических волокон
Одномодовое волокно применяется:
- Для магистральных линий связи большой протяженности
- Для высокоскоростных сетей передачи данных
- В системах кабельного телевидения
- Для подводных кабельных линий
Многомодовое волокно используется:
- В локальных компьютерных сетях
- Для соединения оборудования внутри помещений
- В промышленных системах связи
- В бортовых системах летательных аппаратов
Современные тенденции развития оптических волокон
Основные направления совершенствования оптоволокон:
- Снижение затухания (до 0.14 дБ/км для одномодовых волокон)
- Увеличение пропускной способности (до 100 Тбит/с и более)
- Разработка волокон с большим диаметром сердцевины для мощных лазеров
- Создание волокон с сохранением поляризации для квантовой криптографии
- Разработка фотонно-кристаллических волокон с уникальными свойствами
Как выбрать подходящее оптическое волокно
При выборе оптоволокна следует учитывать:
- Требуемую дальность передачи данных
- Необходимую пропускную способность
- Условия прокладки и эксплуатации кабеля
- Совместимость с имеющимся оборудованием
- Стоимость волокна и монтажных работ
Для большинства современных телекоммуникационных систем оптимальным выбором является одномодовое волокно стандарта G.652.D, обеспечивающее высокую пропускную способность на больших расстояниях.
Заключение
Оптическое волокно остается основной средой передачи данных в современных телекоммуникациях благодаря высокой пропускной способности, малым потерям и невосприимчивости к электромагнитным помехам. Правильный выбор типа и характеристик оптоволокна позволяет создавать эффективные системы связи для различных применений.
Оптическое волокно (оптоволокно)
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
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.
| Название | Краткое описание | Параметр |
| 1. Хроматическая дисперсия | Любой источник излучает не одну длину волны, а спектр незначительно отличающихся длин волн, которые распространяются с разной скоростью. |
Коэффициент хроматической дисперсии, пс/(нм*км). Может быть положительным (спектральные составляющие с большей длиной волны двигаются быстрее) и отрицательным (наоборот). Существует длина волны с нулевой дисперсией. |
| а) Материальная хроматическая дисперсия | Связана со свойствами материала (зависимость показателя преломления от длины волны излучения) | |
| б) Волноводная хроматическая дисперсия | Связана с наличием волноводной структуры (профиль показателя преломления) | |
| 2. Межмодовая дисперсия | Моды распространяются по разным траекториям, поэтому возникает задержка во времени их распространения. |
Ширина полосы пропускания (bandwidth), МГц*км. Эта величина определяет максимальную частоту следования импульсов, при которой не происходит межсимвольной интерференции (сигнал передается без существенных искажений). Пропускная способность канала (Мбит/с) может численно отличаться от ширины полосы пропускания (МГц*км) в зависимости от способа кодирования информации. |
| 3. Поляризационная модовая дисперсия, PMD | Мода имеет две взаимно перпендикулярные составляющие (поляризационные моды), которые могут распространяться с различными скоростями. |
Коэффициент PMD, пс/√км. Временная задержка из-за PMD, нормируемая на 1 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).
Рис.9. Волоконно-оптические кабели
Конструкция оптического волокна
Оптическое волокно (оптоволокно, fiber) состоит из небольшой по размеру кварцевой трубочки (цилиндра). Из-за добавления различных легирующих добавок оптическая плотность у кварцевой трубочки меняется. Образуется, как бы, две трубочки, имеющие разную оптическую плотность. Внутренняя трубочка – это сердцевина (ядро) и она более темная, а внешняя – это оболочка и она более светлая.
Световой импульс находится практически все время внутри сердцевины и на границе двух сред сердцевины и оболочки отражается внутрь сердцевины.
Диаметр сердцевины оптических волокон может отличаться и есть три типа оптических волокон:
оптоволокно многомодовое — диаметром сердцевины 50 мкм
оптоволокно многомодовое — диаметром сердцевины 62.5 мкм
оптоволокно одномодовое — диаметром сердцевины 8-10 мкм
Диаметр внешней оболочки для всех оптоволокон, имеет стандартный размер 125 мкм, что позволяет использовать в структурированной кабельной системе (СКС) стандартизованные разъемные и неразъемные соединения.
Чтобы защитить кварцевые трубочки от влаги и внешних воздействий, на внешнюю оболочку кварцевой трубочки наносят слой лака 2-3 мкм, а затем покрывают ее первичным защитным буфером, что позволяет придать эластичность и гибкость волокну. Внешний диаметр оптического волокна в первичном буфере — 250 мкм.
Некоторые оптические волокна покрывают вторичным слоем защитного буфера. Внешний диаметр оптоволокна с вторичным буфером составляет 900 мкм.
Оптоволокна с буфером 900 мкм обычно входят в конструкцию распределительных оптических кабелей, которые используются в основном для прокладки внутри зданий. Оптические волокна с буфером 900 мкм позволяют провести монтаж волоконно-оптических вилок (коннекторов) прямо на объекте, например, с использованием клеевой технологии.
Оптоволокна имеею большую полосу пропускания и меньшее затухание (меньшие вносимые потери), в отличии от витой пары, поэтому они находят свое широкое приминение при создании линий связи (волоконно-оптических линий связи — ВОЛС) на большие расстояния или в случае использования высокоскоростных технологий.
Производство оптических волокон. Основные этапы технологического процесса
- Статьи
Производство оптического волокна начинается со стеклянной трубки. Ее примерные габариты можно оценить по рис. 1. Эта трубка промывается в кислоте и дистиллированной воде, для устранения различных загрязнителей и жиров с ее поверхности. Далее она устанавливается в зажимы тепло-механического станка.
Рисунок 1 – Стеклянная трубка и ее установка в тепло-механический станок
Трубка вращается со скоростью 60 оборотов/мин. Под ней плавно, со скоростью 20 см/мин двигается горелка, которая равномерно разогревает трубку до температуры 16000С. Одновременно с этим, в трубку подается смесь газов: SiCl4, GeCl4, BCl3 и кислород О2, которые при температуре 16000С вступают в химическую реакцию. В результате реакции на внутреннюю стенку трубки выпадает осадок в виде белого порошка, который в последствии плавится и кристаллизируется. Таким образом постепенно заполняется внутренняя часть трубки и формируется сердцевина оптического волокна.
Рисунок 2 – Процесс формирования сердцевины оптического волокна
Предформа извлекается из тепло-механического станка и устанавливается в зажимы установки вытягивания волокна (вытяжной башни). Процесс вытягивания волокна включает несколько этапов, каждый из которых рассмотрим отдельно.
Рисунок 3 – Установка вытягивания волокна
Торец предформы нагревается до температуры 20000С, вследствие чего предформа начинает растягиваться и уменьшаться в диаметре.
Лазерный детектор работает в паре с детектором натяжения, тем самым поддерживая диаметр оптического волокна равный 125 мкм. При увеличении диаметра волокна, лазерный детектор подает сигнал на детектор натяжения. Последний увеличивает усилие натяжения, что приводит к уменьшению диаметра волокна. И наоборот: в случае, если зафиксировано уменьшение диаметра волокна, уменьшается усилие натяжения и диаметр увеличивается. Таким образом, диаметр волокна не одинаковый по всей его длине, а постоянно колеблется около 125 мкм. В результате, при выполнении сварных соединений, встречаются ситуации, когда одно из сращиваемых волокон имеет диаметр больше (к примеру 127 мкм), другое – меньше (к примеру 123 мкм).
Это приводит к различным значениям потерь на соединении при измерении со стороны А в сторону В, и наоборот.
Следствием описанного выше, является требование выполнения двустороннего измерения интегральных вносимых потерь (при помощи оптических тестеров или тестовых наборов) с последующим определением среднего значения по формуле:
Рисунок 4 – Несоответствие диаметров волокна
Именно по этой причине при строительстве магистральных ВОЛС требуют использовать кабельные барабаны в порядке их заводской нумерации.
Оптическое волокно без повреждений имеет такое же усилие на разрыв как и стальная нить аналогичного диаметра. Это и не удивительно, ведь обычное оконное стекло тоже нелегко разорвать. Но стоит лишь нанести царапину стеклорезом (а в случае с оптическим волокном – просто прикоснуться к любой металлической поверхности) и задача существенно упрощается. Именно для защиты оптического волокна от механических повреждений а также для защиты от попадания воды и загрязнителей, на поверхность волокна наносится первичное буферное покрытие. Оно представляет собой акриловый лак, который мы снимаем стриппером в ходе подготовки волокна к сварке. Далее нанесенный лак сушится в сушильной печи при помощи ультрафиолетового излучения. Полученное оптическое волокно сматывается на катушки (примерно 20 км на каждую) и поставляется на заводы по производству кабеля или потребителю.
Рисунок 5 – Катушка оптического волокна
Рекомендуем просмотреть вебинар на тему:
Видео 1 – вебинар “Монтаж и диагностика ВОЛС на сети доступа. Введение, особенности архитектуры PON”.
Чтобы задать вопрос докладчику вебинара отправьте письмо на адрес: [email protected]
Видео 2 – Опыт Джона Тиндаля
Историческая справка: В 1870 г английский физик Джон Тиндаль продемонстрировал возможность управления светом на основе внутренних отражений. Продемонстрированный опыт показал, что свет может распространяться не только по прямой линии, как учит нас школьная программа, но и по любой изогнутой траектории. Для этого необходимо соблюсти лишь одно условие: обеспечить чтобы свет распространялся в более плотной среде (в опыте – вода), которая окружена менее плотной средой (в опыте – воздух). По этому принципу и построено оптическое волокно: свет распространяется по более плотной сердцевине, которая в свою очередь окружена менее плотной – оболочкой.
Видео 3 – Производство оптического волокна
Смотрите также:
Подписаться на рассылку статей
Одномодовое оптическое волокно с сохранением поляризации излучения
Описание
Оптическое волокно, сохраняющее поляризацию введенного в него излучения за счет анизотропии механических напряжений в сердцевине. Данный эффект обеспечивается структурой волокна, в частности, эллиптичной боросиликатной напрягающей оболочкой.
Благодаря эллиптичной напрягающей боросиликатной оболочке, которая создает эффект двулучепреломления в сердцевине оптического волокна, асимметричные напряжения, возникающие вокруг сердцевины волокна, по-разному действуют на показатель преломления в двух ортогональных осях.
В световодах такого типа имеет место разность оптического пути распространения двух ортогонально поляризационных мод.
Оптический путь поляризационной моды вдоль малой оси эллипса (соответственно время распространения этой моды) меньше, чем вдоль большой оси. Поэтому малая ось часто называется «быстрой», а большая ось — «медленной».
В волокно, сохраняющее поляризацию излучения, линейно-поляризованный свет вводится с ориентацией поляризации излучения вдоль одной из осей двулучепреломления. В этом случае состояние поляризации излучения при его распространении в оптическом волокне не изменяется.
Нами разработаны и выпускаются оптические волокна с сохранением поляризации излучения диаметрами 40, 80 и 125 микрон.
Волокно с диаметром кварцевой оболочки 40 мкм предназначено для применения в спектральной области 800–1350 нм. Диаметр волокна в защитном покрытии 65–75 мкм, что позволяет использовать такое волокно для оптимальной минимизации при конструировании навигационных систем и волоконно-оптических гироскопов (ВОГ).
Волокно с диаметром кварцевой оболочки 80 мкм или 125 мкм выпускается для решения задач в области спектра 1300–1600 нм. Диаметр 80 мкм позволяет широко применять данный форм-фактор волокна в разработке малогабаритных ВОГ и специальных датчиков. Волокно произодится как в однослойном, так и в двуслойном защитном акрилатном покрытии.
Нами также разработано и производится фоточувствительное (фоторефрактивное) волокно диаметром 125 микрон.
Фоточувствительное волокно — оптическое волокно, обладающее свойством изменять показатель преломления сердцевины при облучении УФ излучением. Это свойство волокон используется при создании волоконных Брэгговских решёток (ВБР).
Характеристики
| Характеристика | PM40-810 | PM40-1310 | PM80-1310 | РМ80-1550 | PM125-1310 | PM125-1550 | PM125-1550-PS |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Рабочий диапазон, нм | 800–1100 | 1100–1350 | 1300–1450 | 1300–1600 | 1300–1500 | 1500–1650 | |
| Длина волны отсечки высшей моды, нм | 650–780 | 980–1080 | 1100–1280 | 1250–1450 | 1100–1280 | 1300–1450 | 1400–1500 |
| Затухание, дБ/км | < 10 @ 810 нм | < 8 @ 1310 нм | < 3 @ 1310 нм | < 2 @ 1550 нм | < 3 @ 1550 нм | < 2 @ 1550 нм | |
| h-параметр, м-1 | < 5·10-4 @ 810 нм | < 5·10-4 @ 1310 нм | < 4·10-5 @ 1310 нм | < 2·10-5 @ 1550 нм | < 2·10-5 @ 1310 нм | < 2·10-5 @ 1550 нм | |
| Длина биений | < 1.8 @ 810 нм | < 2.5 @ 1310 нм | < 3.5 @ 1550 нм | < 2.5 @ 1310 нм | < 3.5 @ 1550 нм | ||
| Диаметр модового поля (1/e2), мкм | 2.4±0,2 @ 810 нм | 2.6±0,2 @ 1310 нм | 6.0±0,5 @ 1310 нм | 6.5±0,5 @ 1550 нм | 7.5±0,5 @1310 нм | 8.0±0,5 @1550 нм | 6.0±0,5 @1550 нм |
| Диаметр светоотражающей оболочки, мкм | 40±1 | 80±1 | 125±2 | ||||
| Диаметр волокна в первичном защитном покрытии, мкм | 70±1 | 140±5 | 195±5 | ||||
| Диаметр волокна во вторичном защитном покрытии, мкм | – | 195±5 | 245±5 | – | |||
| Материал сердцевины | Легированное кварцевое стекло | ||||||
| Материал оболочки | Легированное кварцевое стекло | ||||||
| Материал защитного покрытия | УФ-отверждаемый акрилат | ||||||
| Минимальный радиус изгиба при долговременной нагрузке, мм | 10 | 20 | 30 | ||||
| Proof-Test | 1 % | ||||||
| Диапазон рабочих температур, oС | -45…+80 | ||||||
Услуги и решения ИЦ ТЕЛЕКОМ-СЕРВИС
Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE) 25 июня 1998 г. был принят стандарт 802.3z на кабельные системы для технологии передачи данных GigaEthernet. Он включает в себя стандарты 1000BaseLX и 1000BaseSX (передача по оптическому кабелю с использованием длинных и коротких волн соответственно), а также 1000 BaseCX для соединения оборудования медным кабелем на короткие расстояния. Если новый стандарт на медные кабели — дело привычное, то стандарт на ВОЛС для локальных сетей практически не меняется.
В течение многих лет в локальных сетях в основном использовались оптические волокна с диаметром сердцевины 62,5 микрон. Пропускная способность таких кабелей полностью удовлетворяет требованиям систем передачи данных не только на 10 Мбит/с, но и 100 Мбит/с (FastEthernet). Именно такое волокно рекомендовалось стандартом ISO/IEC для структурированных кабельных систем (СКС). Для современных технологий, таких как АТМ и GigaEthernet, пропускная способность волокна с сердцевиной 62,5 микрон недостаточна. Новый стандарт рекомендует использовать оптические волокна с диаметром сердцевины 50 микрон (Таблица 1).
Принятие стандарта GigaEthernet для оптических кабелей вызвало увеличение числа гигабитных соединений, что было обусловлено ростом количества рабочих мест, использующих технологию FastEthernet. Однако для объединения рабочих групп необходима еще большая скорость. В противном случае, несмотря на хорошее и дорогостоящее оборудование, реальная скорость на рабочем месте вряд ли превысит 10 Мбит/с.
ATM
Сегодня технология АТМ больше знакома миру телекоммуникаций, чем миру передачи данных, поскольку основные ее преимущества проявляются именно при совместной передаче видео, голоса и данных в реальном масштабе времени, где существуют особенно жесткие требования к задержкам. Международная организация ATM-Forum утвердила оптические интерфейсы 51,84; 155,52 и 622,08 Мбит/с. Независимо от этих рекомендаций было также разработано оборудование для сетей АТМ со скоростями передачи 1,2 и 2,4 Гбит/с и даже больше.
Таблица 1
| Тип волокна | Одномодовое | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Диаметр сердцевины,микрон | Полимерное волокно | |||||
| Рабочая длина волны, нм | 850 | 1300 | 850 | 1300 | 650 | 1300 |
| Применение: Гигабитный Ethernet | 220м | 550м | 550м | 550м | 5000м | |
| АТМ 50 Мбит/с | 2000м | 2000м | 2000м | 2000м | 50м | — |
| 155Мбит/с | 1000м | 2000м | 1000м | 2000 м | 50м | — |
| 622 Мбит/с | 300м | 500м | 300м | 500м | — | 5000м |
| Fibre Channel | ||||||
| 1,062Гбит/с | 175м | — | 500м | — | — | 10000м |
| 2,125Гбит/с | — | — | 300м | — | — | 2000м |
| 4,25 Гбит/с | — | — | 100м | — | — | 2000м |
Выбор оптического кабеля
Сердцевина оптического волокна с высоким коэффициентом преломления окружена оболочкой с более низким коэффициентом преломления. За счет этой разницы основной световой поток остается внутри сердцевины (явление полного внутреннего отражения). Существует два типа оптических волокон: одномодовое и многомодовое.
- Одномодовое волокно. Обычно диаметр сердцевины составляет 8 микрон, и по волокну распространяется только одна мода. Это устраняет межмодовую дисперсию, но полоса пропускания ограничивается явлениями второго порядка, такими как внутримодовая дисперсия. Комбинация огромной пропускной способности и низкого затухания делает одномодовое волокно наиболее предпочтительным для использования в большинстве телекоммуникационных систем. Однако необходимость применения лазеров, излучающих лучи света с малыми численными апертурами (диаметрами) для эффективного ввода в волокно, до сих пор ограничивает использование этого волокна в локальных сетях из-за высокой стоимости этих приборов.
- Многомодовое волокно имеет больший диаметр сердцевины (обычно 50 или 62,5 микрон) и позволяет передавать одновременно много мод. У современного градиентного многомодового волокна сложная оптическая сердцевина сконструирована так, что коэффициент преломления изменяется заданным образом — от высокого у центральной оси до низкого на внешней стороне сердцевины. Оно чаще используется в локальных сетях и внутри зданий, так как больший диаметр сердцевины упрощает процесс оконцовки волокна. Кроме того в многомодовом волокне в качестве источников света можно использовать светодиоды, имеющие большие численные апертуры.
Следует отметить, что полоса пропускания многомодового волокна ограничена дисперсией, которая возникает из-за нескольких факторов. При этом ширина импульса цифрового сигнала по мере прохождения по волокну возрастает.
- Межмодовая дисперсия. Поскольку моды света имеют различные пути, некоторые из них достигнут приемника раньше других. Этот эффект отчасти нивелируется за счет использования градиентного волокна, в котором коэффициент преломления в центре сердцевины больше. Чем выше коэффициент преломления, тем медленнее распространяется световой луч. В результате все лучи приходят к приемнику одновременно.
- Хроматическая дисперсия. Скорость света в стекле зависит от коэффициента преломления, а тот в свою очередь — от длины волны света. Хотя светоизлучающий диод, и особенно лазер, настроены на определенную длину волны, они излучают достаточно широкий спектр. Короткий импульс, переданный источником, при прохождении по волокну увеличивается по ширине, поскольку различные цветовые составляющие первоначального импульса передаются на различных скоростях.
Использование лазеров для передачи по многомодовому волокну вызывает другие формы дисперсии.
- Дисперсия дифференциальной моды. Этот эффект наиболее ощутим при передаче лазером по волокну 62,5/125, когда диаметр входящего луча меньше сердцевины. Это вызвано небольшими различиями коэффициента преломления сердцевины, приводящими к дифференциальной задержке, которая зависит оттого, в какой части сердцевины передается свет. Источники, дающие более широкий луч (светодиоды) «переполняют» сердцевину светом, что ведет к исчезновению дифференциальной дисперсии.
При передаче волны 1300 нм по многомодовому волокну на большие расстояния необходимо использовать специальный соединитель со смещенным вводом. Это позволяет компенсировать задержку дифференциальной моды.
- Полимерное волокно дешевле и проще в установке. Однако оно не обеспечивает такую пропускную способность, как у медного кабеля категории 5 и поэтому в настоящее время не используется.
Новые стандарты
В Таблице 2 приведена спецификация для GigaEthernet для кабелей с различной полосой пропускания, В будущем большие проблемы может вызвать необходимость применения технологии WDM (передача с разделением по длине волны), которая позволяет эффективнее использовать имеющиеся коммуникации. Если в дешевых кабелях удается использовать два канала в одном волокне, то в современных высококачественных волоконных системах на данный момент — до 80 каналов одновременно.
Из статистики крупнейшего в Европе производителя кабелей компании BICC Brand-Rex в сетях Великобритании (было исследовано 650 км кабелей от основных поставщиков) видно, что 82 % инсталлированного многомодового оптического кабеля имеют пропускную способность 160 МГц-км при длине волны 850 нм. Предел 220 м, установленный для передачи GigaEthernet, ограничивает возможность его применения на больших расстояниях в аэропортах, университетах и на крупных предприятиях.
При тестировании в Центральном исследовательском центре волоконно-оптического кабеля Millenium компании BICC Brand-Rex были получены более высокие характеристики, чем предусмотрено стандартом (для волокна 62,5/125 предел расстояния составляет 220 м на скорости 1 Гбит/с).
Методы увеличения пропускной способности волокна
Существует два способа увеличения пропускной способности проложенных оптических кабелей, предусматривающие использование:
- мультиплексора с разделением по длине волны — оптического смесителя, позволяющего пропускать по одному волокну одновременно несколько длин волн. Это мультиплексирование не решает проблему расстояния на гигабитных скоростях, поскольку не влияет на соотношение пропускная способность/ расстояние. Стоимость оборудования для мультиплексирования сравнима с прокладкой нового кабеля;
- оборудования, увеличивающего полосу пропускания, — специальный тип соединительных кабелей (патч-кордов), позволяющих отбросить некоторые из оптических мод высшего порядка. Это увеличивает затухание и полосу пропускания. Для определения оптимального соотношения затухания и полосы пропускания сначала проводятся примерные расчеты, после чего каждое волокно тестируется.
| Длина волны,нм | |||
| Волокно | Характеристики | 850 | 1300 |
| 62,5/125 (дешевое) | Полоса пропускания, МГц-км | 160 | 500 |
| Расстояние,м | 220 | 550 | |
| 62,5/125 | Полоса пропускания, МГц-км | 200 | 500 |
| Расстояние,м | 275 | 550 | |
| 50/125 (дешевое) | Полоса пропускания, МГц-км | 400 | 400 |
| Расстояние | 500 | 550 | |
| 50/125 | Полоса пропускания, МГц-км | 500 | 500 |
| Расстояние,м | 550 | 550 | |
| Одномодовое волокно | Расстояние,м | 5500 |
Возможно, какое-нибудь предприятие, уже проложившее большое количество кабеля, будет заинтересовано в увеличении его возможностей, однако для удовлетворения всех потребностей целесообразнее купить соответствующий тип оптического кабеля. Во всяком случае, такие затраты сравнимы по цене.
Прокладка кабеля
Технологии передачи данных развиваются очень быстро, и их замена может потребовать строительства новой кабельной системы. Для защиты капиталовложений при прокладке кабеля необходимо предусмотреть возможность его использования с другими технологиями.
Одним из способов учета постоянно увеличивающихся потребностей в полосе пропускания является применение кабеля, состоящего из уже используемых и свободных волокон, которые можно будет задействовать в будущем. Например, это может быть комбинация одномодового и многомодового волокна, дающая наилучшие результаты при минимальной цене.
Для снижения стоимости и наибольшей гибкости можно использовать заранее заложенные трубки с дальнейшей продувкой в них оптического волокна. Этот способ применяется в системе Blolite компании BICC Brand-Rex. Blolite состоит из пустых пластиковых трубок, прокладываемых внутри или между зданиями, т. е. там, где может понадобиться канал связи. Волокно продувается по определенным путям, а некоторые из трубок или направлений остаются пустыми. В дальнейшем при необходимости можно «додуть» новые волокна или заменить старое волокно и использовать его на новых направлениях или в новых комбинациях.
Утверждение стандарта GigaEthernet для оптического кабеля IEEE 802.3z накладывает более серьезные требования на производительность оптических кабелей, чем все предыдущие стандарты.
Многомодовое волокно до сих пор является наилучшей комбинацией цены и производительности в тех случаях, когда рассматривается общая стоимость системы. Преимущество волокон 50/125 — значительный выигрыш в полосе пропускания.
Сегодня имеется большой выбор кабелей, отличающихся как полосой пропускания, так и ценой. При покупке дешевого продукта следует учитывать, что он имеет ограниченные возможности и не может использоваться для высокоскоростных приложений, особенно в будущем при принятии новых стандартов. Стоит принять во внимание результаты расширенных тестирований кабелей в Европейском исследовательском центре и международную сертификацию, особенно при использовании на предельных расстояниях.Оптические волокна. Классификация. / Полезное / «Связь-стандарт» г.Брянск
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.
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.
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 50 мкм и 62,5 мкм являются признаками многомодовых оптических волокон, а 8-10 мкм, соответственно, одномодовым.
Оболочка же, как правило, всегда имеет диаметр размером 125 мкм.
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.
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 пользователям Хабра.
Каталог продукции | Компания АЗИМУТ ФОТОНИКС является официальным дистрибьютором (прямым дилером) продукции Thorlabs в России, предлагая весь ассортимент из каталога Thorlabs по ценам в российских рублях с учетом всех налогов и НДС, оказывает полную техническую поддержку и распространяет гарантийные обязательства на все поставляемое оборудование. !!! ВНИМАНИЕ. В связи с постановлением Правительства РФ №788 от 06.07.2018 г. «Об утверждении ставок ввозных таможенных пошлин в отношении отдельных товаров, страной происхождения которых являются Соединенные Штаты Америки» ставка ввозной таможенной пошлины на оптические волокна (код ТН ВЭД 9001 10 900 1) составляет 30%. Поэтому указанные ниже цены при заказе также будут увеличены на 30%. Цена указана за 1 метр оптоволокна (кроме позиций: HI1060-100, SMF-28-100, SMF-28-1000)
| |||||
Основные сведения о кабеле: оптоволоконный кабель
В свободной буферной конструкции волокно заключено в пластиковую трубку, внутренний диаметр которой значительно больше самого волокна. Внутренняя часть пластиковой трубки обычно заполнена гелевым материалом.
Свободная трубка изолирует волокно от внешних механических сил, действующих на кабель. Для многоволоконных кабелей некоторые из этих трубок, каждая из которых содержит одно или несколько волокон, объединены с силовыми элементами, чтобы волокна не подвергались нагрузкам и минимизировали удлинение и сжатие.
Изменяя количество волокон внутри трубки в процессе прокладки кабеля, можно контролировать степень усадки из-за изменения температуры, и, следовательно, степень ослабления в диапазоне температур сводится к минимуму.
Другой метод защиты волокна, плотный буфер, основан на прямом выдавливании пластика поверх основного покрытия волокна.
Плотные буферные конструкции способны выдерживать гораздо большие силы сжатия и удара без разрушения волокна.
Однако конструкция плотного буфера снижает изоляцию волокна от нагрузок, возникающих при изменении температуры.Будучи относительно более гибким, чем свободный буфер, если плотный буфер развернут с резкими изгибами или изгибами, оптические потери, вероятно, превысят номинальные характеристики из-за микроизгибов.
Усовершенствованная конструкция плотной буферной конструкции — это кабель с разрывом. В соединительном кабеле волокно с плотным буфером окружено арамидной пряжей и оболочкой, обычно из ПВХ. Эти однокомпонентные элементы из одного волокна затем покрываются общей оболочкой, образуя соединительный кабель. «Этот кабель в кабеле» предлагает преимущество прямого и упрощенного подключения и установки разъема.
Каждой конструкции присущи преимущества. Свободная буферная трубка обеспечивает более низкое затухание кабеля из-за микроизгибов в любом конкретном волокне, а также высокий уровень изоляции от внешних сил. При постоянном механическом воздействии свободная трубка обеспечивает более стабильные характеристики передачи.
Конструкция с плотным буфером позволяет использовать меньшие по размеру и легковесные конструкции для аналогичной конфигурации волокна и, как правило, дает более гибкий и устойчивый к раздавливанию кабель.
Компромисс между свободным и узким буфером
Геометрия одномодового оптического волокна | OFS Optics
Общие сведения о спецификациях оптического волокна
Эта статья из нашей технической серии посвящена геометрии одномодового оптического волокна.
Если вы подписались на нашу рассылку Light Post, то вы знаете, что ранее мы рассматривали драйверы требований к пропускной способности и вводные стандарты, а также оптоволоконную дисперсию. В этой статье мы рассмотрим типичную спецификацию волокна, подчеркнув важность различных одиночных сетей. Характеристики геометрии модового оптического волокна.
> Загрузить для получения полной информации
Облицовка (стекло) Диаметр — 125,0 ± 0,7 мкмДиаметр оболочки — это внешний диаметр стеклянной части оптического волокна.Для телекоммуникационных волокон этот диаметр был 125 микрон (мкм) в течение очень долгого времени. С другой стороны, допуск на диаметр не всегда составлял 0,7 мкм.
В 80-х годах прошлого века оптические волокна имели допуски по внешнему диаметру +/- 3,0 мкм. Как вы понимаете, сопоставление волоконных жил диаметром от 122 до 128 мкм может привести к чрезвычайно высоким потерям. В этой ситуации сварочные аппараты требовали дополнительных технологий для выравнивания сердцевин волокна. Эта дополнительная технология увеличила стоимость сварочных аппаратов.
> Загрузить для получения полной информации
Диаметр модового поля (MFD)Диаметр модового поля (MFD) — еще одна спецификация, связанная с геометрией волокна. В типичном одномодовом оптическом волокне, совместимом с G.652.D, не весь свет проходит по сердцевине; Фактически, небольшое количество света проходит через оболочку волокна. Термин MFD является мерой диаметра распределения плотности оптической мощности, который представляет собой диаметр, в котором находится 95% мощности.
> Загрузить для получения полной информации
Некруглость плакированного материала d 0,7%Некруглость оболочки измеряет отклонение волокна от идеальной круглой формы и измеряется как процентная разница по сравнению с идеальной.
Сердечник / Плакировка Погрешность концентричности (смещение) d 0,5 мкм, обычно <0,2 мкмОшибка концентричности сердцевины / оболочки (CCCE) определяет, насколько хорошо сердцевина центрирована в волокне. CCCE измеряется в микронах, и, конечно, чем ближе сердечник расположен к идеальному центру, тем он лучше.
Хотя разница между 200 и 250 мкм нет чрезвычайно большие волокна меньшего диаметра позволяют вдвое увеличить количество волокон в буферная трубка того же размера, при этом сохраняя при этом долгосрочную надежность.
> Загрузить для получения полной информации
Волоконно изгибСкручивание волокна определяет нелинейность голого стекла. В другом Словом, скручивание волокна определяет, насколько ровным является стекловолокно, когда нет внешних стрессоры присутствуют.Если несбалансированные напряжения замораживаются в волокне во время В процессе рисования может получиться завиток. Этот завиток может появиться во время сращивания волоконно-оптических лент или при использовании станков для сращивания фиксированных V-образных пазов.
> Загрузить для получения полной информации
В заключение, компьютерный фанатизм — это путешествие, а не пункт назначения, и всегда есть чему поучиться. OFS имеет многолетний опыт работы с волоконно-оптическими кабельными сетями. Пожалуйста, свяжитесь с вашим местным представителем OFS, если вам нужна дополнительная информация о характеристиках геометрии оптического волокна.
Теги: одномодовое волокно
Что такое размер сердцевины оптического волокна, диаметр модового поля и числовое значение Ap — Fosco Connect
Есть несколько важных факторов, определяющих способность оптического волокна собирать свет и передавать его по оптоволокну. Эти факторы включают размер сердцевины оптического волокна, диаметр модового поля и числовую апертуру.
Каков размер сердцевины оптического волокна?
Размер сердцевины — это физический размер сердцевины волокна.Размер сердцевины оказывает большое влияние на передачу света в волокно. Размер ядра должен быть не меньше размера источника света, чтобы эффективно собирать свет. Если источник света больше сердцевины волокна, большая часть его мощности уходит на оболочку волокна и быстро исчезает.
Многомодовые волокна выпускаются с различными размерами сердцевины от 7 мкм до 3 мм, наиболее распространенными из которых являются 50 мкм, 62,5 мкм, 100 мкм и 200 мкм. Промышленный стандарт для передачи данных сейчас — 50 мкм и 62.Многомодовый 5 мкм с использованием стекловолокна из кварцевого стекла.
Одномодовые волокна из кварцевого стекла обычно имеют размер сердцевины 8,3 мкм. В телекоммуникациях используются исключительно одномодовые стеклянные волокна, хотя для передачи данных также наблюдается медленное, но неуклонное внедрение одномодовых стеклянных волокон.
Для пластиковых оптических волокон размер сердцевины волокна составляет от 0,25 мм до 3 мм, из которых 1 мм является наиболее популярным.
Каков диаметр модового поля оптического волокна?
Хотя большая часть света проходит внутри сердцевины оптического волокна, на самом деле свет распространяется через немного больший объем, включая внутренний край оболочки волокна.Эта эффективная площадь называется диаметром модового поля волокна или MFD.
Диаметр модового поля является мерой пространственной протяженности основной моды и важен только для одномодовых волокон. Его влияние настолько мало в многомодовых волокнах, что больше не имеет значения.
Диаметр модового поля играет важную роль в оценке потерь на стыке, потерь в соединителе от источника к волокну, потерь на макроизгибах и микроизгибах и т. Д. При производстве одномодового волокна MFD используется как гораздо более важный параметр, чем размер сердцевины волокна.
Какова числовая апертура оптического волокна?
Способность оптического волокна собирать свет определяется не только размером сердцевины волокна, но и его углом приема. Угол приема — это диапазон углов, при которых луч света может войти в волокно и задержаться в его сердцевине.
Угол приема и числовая апертура являются показателями качества, используемыми для описания углов, связанных с распространением света в оптических волокнах. Синус половины угла приемного угла известен как числовая апертура — NA.Эти параметры могут быть связаны с показателями преломления волоконных материалов с помощью закона Снеллиуса и небольшой геометрии.
Вышеупомянутая формула может использоваться только для волокон со ступенчатым показателем преломления, а числовая апертура не рассчитывается таким же образом в волокнах с градиентным показателем преломления. На самом деле числовая апертура изменяется по сердцевине в зависимости от показателя преломления.
Однако вы можете измерить числовую апертуру для волокон с градиентным коэффициентом преломления, отслеживая угол расхождения света, выходящего из сердцевины волокна, как показано ниже.Свет, выходящий из многомодового волокна, распространяется под углом, равным его углу приема.
Но для практических измерений числовых апертур многомодового волокна мы должны исключить из расчета моды, направляемые вдоль оболочки волокна. Таким образом, крайний угол приема многомодового волокна определяется как точка, где интенсивность падает до 5% от интенсивности в центре сердцевины.
Обычно для многомодовых волокон с градиентным коэффициентом преломления 50 мкм числовая апертура составляет 0,20. Числовая апертура равна 0.28 для многомодовых волокон с градиентным коэффициентом преломления 62,5 мкм.
У одномодовых стеклянных световодов их сердцевина настолько мала, что дифракция контролирует распространение света от волокна. По этой причине числовая апертура для одномодовых волокон не так важна, как для многомодовых.
Основы волоконной оптики
SMA — из-за своей конструкции из нержавеющей стали и механизма фиксации волокна с низкой точностью, этот разъем используется в основном в приложениях, требующих соединения мощных лазерных лучей в многомодовые волокна с большой сердцевиной.Типичные применения включают системы доставки лазерного луча в медицине, биомедицине и промышленности. Типичные вносимые потери разъема SMA превышают 1 дБ.
ST — разъем ST широко используется как в полевых условиях, так и в оптоволоконных сетях LAN внутри помещений. Его высокоточный керамический наконечник позволяет использовать его как с многомодовыми, так и с одномодовыми волокнами. Байонетный соединительный механизм с ключом и блокировкой соединителя при нажатии и повороте предотвращает чрезмерное затягивание и повреждение конца волокна.Вносимые потери разъема ST менее 0,5 дБ, при этом обычно достигаются типичные значения 0,3 дБ. Просверленные металлические разъемы ST с вносимыми потерями> 1 дБ используются с волокнами Newport с большой сердцевиной (> 140 мкм).
FC — FC стал предпочтительным соединителем для одномодовых волокон и в основном используется в волоконно-оптических приборах, волоконно-оптических компонентах SM и в высокоскоростных волоконно-оптических линиях связи. Этот высокоточный керамический соединитель с наконечником оснащен ключом, препятствующим вращению, что снижает повреждение торца волокна и снижает чувствительность волокна к центру вращения.Ключ также используется для повторяемого выравнивания волокон в оптимальном положении с минимальными потерями. Также доступны многомодовые версии этого разъема. Типичные вносимые потери разъема FC составляют около 0,3 дБ. Просверленные металлические соединители FC с вносимыми потерями> 1 дБ используются с волокнами Newport с большой сердцевиной (> 140 мкм).
SC — разъем SC становится все более популярным в одномодовом оптоволоконном телекоммуникационном и аналоговом кабельном телевидении, в полевых каналах.Конструкция высокоточного керамического наконечника оптимальна для юстировки одномодовых оптических волокон. Внешний квадратный профиль разъемов в сочетании с механизмом двухтактного соединения обеспечивает большую плотность упаковки разъемов в приборах и патч-панелях. Внешний корпус с шпонками предотвращает чувствительность к вращению и повреждение торца волокна. Также доступны многомодовые версии этого разъема. Типичные вносимые потери разъема SC составляют около 0,3 дБ.
Подготовка торца разъема
После того, как оптическое волокно будет заделано определенным соединителем, подготовка торца соединителя определит, какими будут возвратные потери соединителя, также известные как обратное отражение.Обратное отражение — это соотношение между светом, распространяющимся через соединитель в прямом направлении, и светом, отраженным обратно в источник света поверхностью соединителя. Минимизация обратного отражения имеет большое значение в высокоскоростных и аналоговых волоконно-оптических линиях связи, в которых используются источники с узкой шириной линии, такие как DFB-лазеры, которые подвержены скачкам мод и флуктуациям их выходного сигнала.
Волоконная оптика: понимание основ | Волоконная оптика и связь | Справочник по фотонике
Ничто так не изменило мир связи, как разработка и внедрение оптического волокна.В этой статье представлены основные принципы, необходимые для работы с этой технологией.Инженеры и специалисты по маркетингу, OFS
Оптические волокна изготавливаются из стекла или пластика. Большинство из них имеют диаметр примерно с человеческий волос и могут достигать многих миль в длину. Свет передается по центру волокна от одного конца к другому, и сигнал может быть наложен. Волоконно-оптические системы во многих сферах применения превосходят металлические проводники. Их самое большое преимущество — это пропускная способность.Из-за длины волны света можно передавать сигнал, который содержит значительно больше информации, чем это возможно с помощью металлического проводника — даже коаксиального проводника. К другим преимуществам относятся:
• Электрическая изоляция — оптоволоконный кабель не требует заземления. И передатчик, и приемник изолированы друг от друга и, следовательно, не имеют проблем с контуром заземления. Также нет опасности искры или поражения электрическим током.
• Отсутствие электромагнитных помех — волоконная оптика невосприимчива к электромагнитным помехам (EMI) и сама не излучает излучения, которое могло бы вызвать другие помехи.
• Низкие потери мощности — это позволяет использовать более длинные кабели и использовать меньшее количество усилителей-повторителей.
• Легче и меньше — волокно меньше весит и требует меньше места, чем металлические проводники с эквивалентной пропускной способностью сигнала.
Медная проволока примерно в 13 раз тяжелее. Волокно также проще в установке и требует меньше места в воздуховоде.
Приложения
Некоторые из основных областей применения оптических волокон:
• Связь — передача голоса, данных и видео является наиболее распространенным применением волоконной оптики, в том числе:
— Телекоммуникации
— Местные локальные сети (LAN)
— Промышленные системы управления
— Авионические системы
— Военные системы командования, управления и связи
• Зондирование — Волоконная оптика может использоваться для доставки света от удаленного источника к детектору для получения давления, температуры и т. д. или спектральная информация.Волокно также можно использовать непосредственно в качестве преобразователя для измерения ряда факторов окружающей среды, таких как напряжение, давление, электрическое сопротивление и pH. Изменения окружающей среды влияют на интенсивность, фазу и / или поляризацию света способами, которые могут быть обнаружены на другом конце волокна.
• Подача энергии — оптоволоконные кабели могут обеспечивать исключительно высокий уровень мощности для таких задач, как лазерная резка, сварка, маркировка и сверление.
• Освещение — пучок волокон, собранных вместе с источником света на одном конце, может освещать труднодоступные области, например, внутри человеческого тела, в сочетании с эндоскопом.Также их можно использовать как выставочную вывеску или просто как декоративную подсветку.
Рис. 1. Оптическое волокно состоит из сердечника, оболочки и покрытия .
Конструкция
Оптическое волокно состоит из трех основных концентрических элементов: сердцевины, оболочки и внешнего покрытия (рис. 1).
Сердечник обычно изготавливается из стекла или пластика, хотя иногда используются и другие материалы, в зависимости от желаемого спектра пропускания.
Сердечник — это светопропускающая часть волокна. Оболочка обычно изготавливается из того же материала, что и сердцевина, но с немного меньшим показателем преломления (обычно примерно на 1% ниже). Эта разница показателей преломления вызывает полное внутреннее отражение на границе показателя преломления по длине волокна, так что свет проходит по волокну и не выходит через боковые стенки.
Рис. 2. Луч света, проходящий от одного материала к другому с другим показателем преломления, изгибается или преломляется на границе раздела.
Покрытие обычно включает один или несколько слоев пластикового материала для защитить волокно от физической среды. Иногда металлический к покрытию добавляются оболочки для дополнительной физической защиты.
Оптические волокна обычно характеризуются размером, который определяется как внешний диаметр сердцевины, оболочки и покрытия. Например, 62,5 / 125/250 будет относиться к волокну с диаметром сердцевины 62,5 мкм, оболочкой диаметром 125 мкм и внешним покрытием диаметром 0,25 мм.
Принципы
Оптические материалы характеризуются своим показателем преломления, обозначаемым как n.Показатель преломления материала — это отношение скорости света в вакууме до скорости света в материале. Когда луч света проходит от одного материала к другому с другим показателем преломления, луч изгибается (или преломляется) на границе раздела (рис. 2).
Преломление описывается законом Снеллиуса:
, где n I и n R — это показатели преломления материалов, через которые преломляется луч, а I и R — углы падения и преломления луча.Если угол падения больше критического угла для границы раздела (обычно около 82 ° для оптических волокон), свет отражается обратно в падающую среду без потерь за счет процесса, известного как полное внутреннее отражение (рис. 3).
Рис. 3. Полное внутреннее отражение позволяет свету оставаться внутри сердцевины волокна.
Посмотрите видео с определением полного внутреннего отражения.
Режимы
Когда свет направляется вниз по волокну (как микроволны направляются по волноводу), фазовые сдвиги возникают на каждой отражающей границе.Существует конечное дискретное количество путей вниз по оптическому волокну (известных как моды), которые создают конструктивные (синфазные и, следовательно, аддитивные) фазовые сдвиги, усиливающие передачу. Поскольку каждая мода возникает под разным углом к оси волокна по мере прохождения луча по длине, каждая из них проходит разную длину через волокно от входа к выходу. Только одна мода, мода нулевого порядка, проходит по длине волокна без отражений от боковых стенок. Это называется одномодовым волокном.Фактическое количество мод, которые могут распространяться в данном оптическом волокне, определяется длиной волны света, диаметром и показателем преломления сердцевины волокна.
Затухание
Сигналы теряют силу по мере их распространения по оптоволокну; это известно как затухание луча. Затухание измеряется в децибелах (дБ) по соотношению:
, где P в и P на выходе относятся к оптической мощности, входящей и исходящей из волокна.В таблице ниже показаны типичные потери мощности в оптоволокне для нескольких значений затухания в децибелах.
Затухание в оптическом волокне зависит от длины волны. На крайних точках кривой пропускания преобладает многофотонное поглощение. Затухание обычно выражается в дБ / км на определенной длине волны. Типичные значения варьируются от 10 дБ / км для волокон со ступенчатым показателем преломления на длине волны 850 нм до нескольких десятых дБ / км для одномодовых волокон на длине волны 1550 нм.
Существует несколько причин затухания в оптическом волокне:
• Рэлеевское рассеяние — изменения показателя преломления материала сердцевины в микроскопическом масштабе могут вызвать значительное рассеяние в луче, что приводит к значительным потерям оптической мощности.Рэлеевское рассеяние зависит от длины волны и менее важно на более длинных волнах. Это наиболее важный механизм потерь в современных оптических волокнах, на который обычно приходится до 90% любых потерь.
• Абсорбция — современные методы производства позволили снизить абсорбцию, вызванную примесями (в первую очередь, водой в волокне), до очень низкого уровня. В полосе пропускания волокна потери на поглощение незначительны.• Гибка — методы производства позволяют получать мельчайшие изгибы геометрии волокна.Иногда этих изгибов бывает достаточно, чтобы свет внутри сердечника попадал на границу раздела сердечник / оболочка под углом, меньшим критического, так что свет теряется в материале оболочки. Это также может произойти, когда волокно изгибается с малым радиусом (например, менее нескольких сантиметров). Чувствительность к изгибу обычно выражается в потерях дБ / км для определенного радиуса изгиба и длины волны.
Рис. 4. Числовая апертура зависит от угла, под которым лучи входят в волокно, и от диаметра сердцевины волокна.
Числовая апертура
Числовая апертура (NA), показанная на рисунке 4, является мерой максимального угла, под которым световые лучи будут входить и проходить по волокну. Это представлено следующим уравнением:
Дисперсия
По мере того, как оптические импульсы проходят по длине волокна, они расширяются или удлиняются во времени. Это называется дисперсией. Поскольку импульсы в конечном итоге станут настолько несогласованными, что начнут накладываться друг на друга и искажать данные, дисперсия устанавливает верхний предел возможностей передачи данных по оптоволокну.У такого расширения есть три основные причины:
• Хроматическая дисперсия — волны различной длины распространяются по волокну с разной скоростью. Поскольку типичные источники света обеспечивают мощность в серии или диапазоне длин волн, а не из одной дискретной спектральной линии, импульсы должны распространяться по длине волокна по мере их прохождения. Высокоскоростные лазеры, используемые в связи, имеют очень узкие спектральные выходные характеристики, что значительно снижает влияние хроматической дисперсии.
• Модальная дисперсия — разные моды волокна отражаются под разными углами по мере продвижения вниз по волокну. Поскольку каждый модальный угол создает несколько разную длину пути для луча, моды более высокого порядка достигают выходного конца волокна за модами более низкого порядка.
• Дисперсия волновода — эта незначительная причина дисперсии связана с геометрией волокна и приводит к разным скоростям распространения для каждой из мод.
Пропускная способность
Пропускная способность измеряет пропускную способность оптического волокна по передаче данных и выражается как произведение частоты данных и пройденного расстояния (обычно МГц-км или ГГц-км).Например, оптоволокно с полосой пропускания 400 МГц-км может передавать 400 МГц на расстояние 1 км или оно может передавать 20 МГц данных на 20 км. Основным ограничением полосы пропускания является уширение импульса, которое возникает из-за модовой и хроматической дисперсии волокна. Ниже приведены типичные значения для различных типов волокна:
Передача энергии
Величина мощности, которую может передать волокно (без повреждения), обычно выражается в терминах максимально допустимой плотности мощности.Плотность мощности — это произведение максимальной выходной мощности лазера и площади лазерного луча. Например, лазерный луч мощностью 15 Вт, сфокусированный на пятно диаметром 150 мкм, дает плотность мощности
Выходную мощность импульсного лазера (обычно указываемую в миллиджоулях энергии на импульс) необходимо сначала преобразовать в мощность на импульс. Например, импульсный лазер, вырабатывающий 50 мДж за импульс длительностью 10 нс, обеспечивает выходную мощность
. Плотность мощности затем может быть рассчитана по размеру пятна.
Для передачи абсолютного максимального уровня энергии по волокну торцы волокна должны быть абсолютно гладкими и отполированными и быть перпендикулярными оси волокна и световому лучу. Кроме того, диаметр пучка не должен превышать примерно половину площади сердечника (или диаметра сердечника). Если луч не сфокусирован должным образом, часть энергии может попасть в оболочку, что быстро может привести к повреждению кварцевых волокон с полимерным покрытием. По этой причине в приложениях с более высокой плотностью мощности лучше использовать волокна из диоксида кремния, плакированные диоксидом кремния.
Типы волокна
Существует три основных типа оптического волокна: одномодовое, многомодовое со ступенчатым индексом и многомодовое ступенчатое. Они характеризуются тем, как свет распространяется по волокну, и зависят как от длины волны света, так и от механической геометрии волокна. Примеры того, как они распространяют свет, показаны на рисунке 5.
Рисунок 5. Режимы передачи волокна.
Одномодовое
В одномодовом волокне передается только основная мода нулевого порядка.Луч света проходит прямо через оптоволокно, не отражаясь от боковых стенок сердцевины и оболочки. Одномодовое волокно характеризуется значением отсечки по длине волны, которое зависит от диаметра сердцевины, числовой апертуры и рабочей длины волны. Ниже длины волны отсечки также могут распространяться моды более высокого порядка, что изменяет характеристики волокна.
Поскольку одномодовое волокно распространяет только основную моду, модальная дисперсия (основная причина перекрытия импульсов) устраняется.Таким образом, ширина полосы у одномодового волокна намного выше, чем у многомодового волокна. Это просто означает, что импульсы могут передаваться намного ближе друг к другу по времени без перекрытия. Из-за этой более высокой пропускной способности одномодовые волокна используются во всех современных системах связи на большие расстояния. Типичный диаметр сердечника составляет от 5 до 10 мкм.
Фактическое количество мод, которые могут распространяться через волокно, зависит от диаметра сердцевины, числовой апертуры и длины волны передаваемого света.Они могут быть объединены в нормированный частотный параметр или число V, ,
, где a — радиус сердцевины, λ — длина волны, а n — индекс сердцевины и оболочки. Условием для одномодовой работы является следующее:
Возможно, более важным и полезным является длина волны отсечки. Это длина волны, ниже которой волокно допускает распространение множества мод, и может быть выражено как:
Волокно обычно выбирается с длиной волны отсечки немного ниже желаемой рабочей длины волны.Для лазеров, обычно используемых в качестве источников (с длиной волны излучения от 850 до 1550 нм), диаметр сердцевины одномодового волокна находится в диапазоне от 3 до 10 мкм.
Многомодовый градиентный индекс
Диаметр сердцевины многомодового волокна намного больше диаметра одномодового волокна. В результате также распространяются моды более высокого порядка.
Сердечник в волокне с градиентным коэффициентом преломления имеет показатель преломления, который непрерывно уменьшается в радиальном направлении от центра к границе раздела оболочки.В результате свет распространяется быстрее по краю ядра, чем по центру. В разных режимах движение по криволинейным траекториям практически одинаково. Это значительно снижает модальную дисперсию волокна.
В результате волокна с градиентным показателем преломления имеют полосу пропускания, которая значительно больше, чем волокна со ступенчатым показателем преломления, но все же намного меньше, чем у одномодовых волокон. Типичные диаметры сердцевины волокон с градиентным коэффициентом преломления составляют 50, 62,5 и 100 мкм. Основное применение волоконно-оптических кабелей с градуированными показателями — это средства связи средней дальности, такие как локальные сети.
Многомодовый ступенчатый индекс
Сердцевина волокна со ступенчатым показателем преломления имеет однородный показатель преломления вплоть до поверхности раздела оболочки, где показатель изменяется ступенчато. Поскольку разные моды в волокне со ступенчатым показателем преломления проходят разную длину пути по волокну, расстояния передачи данных должны быть небольшими, чтобы избежать значительных проблем модальной дисперсии.
Волокна со ступенчатым показателем преломления доступны с диаметром сердцевины от 100 до 1500 мкм.Они хорошо подходят для приложений, требующих высокой плотности мощности, например, для доставки мощности медицинских и промышленных лазеров.
Подробная ошибка IIS 8.5 — 404.11
Ошибка HTTP 404.11 — не найдено
Модуль фильтрации запросов настроен на отклонение запроса, содержащего двойную escape-последовательность.
Наиболее вероятные причины:
- Запрос содержал двойную escape-последовательность, а фильтрация запросов настроена на веб-сервере, чтобы отклонять двойные escape-последовательности.
Что можно попробовать:
- Проверьте параметр configuration/system.webServer/security/requestFiltering@allowDoubleEscaping в файле applicationhost.config или web.confg.
