Оптическое волокно это. Оптическое волокно: виды, конструкция и принцип работы

Что такое оптическое волокно. Из каких частей состоит оптоволокно. Как работает оптическое волокно. Какие бывают типы оптоволокна. Чем отличаются одномодовые и многомодовые волокна. Каковы основные характеристики оптических волокон.

Конструкция и принцип работы оптического волокна

Оптическое волокно представляет собой тонкую стеклянную нить круглого сечения, предназначенную для передачи информационных сигналов с помощью световых импульсов в инфракрасном диапазоне. Конструктивно оптоволокно состоит из следующих основных частей:

• Сердцевина (сердечник) — центральная часть волокна, по которой непосредственно распространяется световой сигнал
• Оболочка — окружает сердцевину и обеспечивает отражение света обратно в сердцевину
• Защитное покрытие — внешний слой из полимерного материала для защиты волокна от повреждений

Сердцевина и оболочка изготавливаются из кварцевого стекла, но с разными показателями преломления — у сердцевины он выше. Это обеспечивает эффект полного внутреннего отражения света на границе сердцевины и оболочки.

Принцип передачи сигнала по оптоволокну

Передача сигнала по оптическому волокну основана на явлении полного внутреннего отражения света. Как это работает?

1. Световой луч вводится в сердцевину волокна под определенным углом
2. На границе сердцевины и оболочки происходит отражение света обратно в сердцевину
3. Многократно отражаясь, луч распространяется вдоль волокна на большие расстояния
4. На приемном конце световой сигнал преобразуется обратно в электрический

Благодаря эффекту полного внутреннего отражения световой поток способен преодолевать в оптоволокне значительные расстояния — от сотен метров до сотен километров.

Типы оптических волокон

Существует два основных типа оптических волокон:

• Многомодовые
• Одномодовые

Чем они отличаются? Главное отличие — в диаметре сердцевины:

• У многомодовых волокон диаметр сердцевины больше длины волны передаваемого сигнала. Это позволяет передавать несколько оптических мод (лучей).
• У одномодовых волокон диаметр сердцевины меньше длины волны сигнала. По такому волокну может распространяться только одна мода.

Основные характеристики оптических волокон

Ключевыми параметрами, характеризующими оптическое волокно, являются:

1. Затухание — ослабление мощности оптического сигнала при распространении по волокну. Измеряется в дБ/км.
2. Дисперсия — уширение оптических импульсов при передаче. Ограничивает скорость и дальность передачи.
3. Полоса пропускания — диапазон частот, в пределах которого возможна передача сигналов с допустимыми искажениями.

Эти параметры взаимосвязаны между собой и определяют возможности оптического волокна по передаче информации.

Окна прозрачности оптических волокон

В спектре затухания оптических волокон выделяют несколько диапазонов с минимальными потерями — так называемые окна прозрачности. Основные окна прозрачности:

• 850 нм — используется в многомодовых волокнах
• 1300 нм — применяется в многомодовых и одномодовых волокнах
• 1550 нм — используется в одномодовых волокнах

Выбор рабочей длины волны определяет характеристики линии связи и применяемые компоненты.

Особенности многомодовых оптических волокон

Многомодовые волокна имеют следующие основные характеристики:

• Диаметр сердцевины: 50 или 62,5 мкм
• Диаметр оболочки: 125 мкм
• Рабочие длины волн: 850 и 1300 нм
• Типичное затухание: 3,5 дБ/км на 850 нм, 1,5 дБ/км на 1300 нм

Особенности многомодовых волокон:

• Большой диаметр сердцевины упрощает ввод излучения
• Возможно применение недорогих светодиодных источников
• Наличие межмодовой дисперсии ограничивает дальность и скорость передачи
• Применяются на коротких линиях связи (до нескольких километров)

Классификация многомодовых волокон

Согласно стандарту ISO/IEC 11801 многомодовые волокна делятся на несколько классов:

• OM1 — волокно 62,5/125 мкм
• OM2 — волокно 50/125 мкм
• OM3 — волокно 50/125 мкм, оптимизированное для работы с лазерами
• OM4 — улучшенное волокно 50/125 мкм для лазерных источников

Волокна OM3 и OM4 обеспечивают наилучшие характеристики для высокоскоростных приложений.

Области применения многомодовых волокон

Основные сферы использования многомодовых оптических волокон:

• Локальные сети предприятий
• Сети передачи данных в центрах обработки данных
• Промышленные сети связи
• Системы видеонаблюдения
• Подключение абонентов в сетях FTTH на коротких расстояниях

Многомодовые волокна применяются там, где важна низкая стоимость компонентов, а дальность передачи не превышает нескольких километров.

Особенности одномодовых оптических волокон

Одномодовые волокна характеризуются следующими параметрами:

• Диаметр сердцевины: 8-10 мкм
• Диаметр оболочки: 125 мкм
• Рабочие длины волн: 1310 и 1550 нм
• Типичное затухание: менее 0,4 дБ/км на 1310 нм

Ключевые особенности одномодовых волокон:

• Передача только одной моды излучения
• Отсутствие межмодовой дисперсии
• Малые потери и дисперсия позволяют передавать сигналы на большие расстояния
• Высокая пропускная способность
• Требуются лазерные источники излучения

Классификация одномодовых волокон

Основные типы одномодовых волокон по рекомендациям ITU-T:

• G.652 — стандартное одномодовое волокно
• G.653 — волокно с нулевой смещенной дисперсией
• G.654 — волокно со смещенной длиной волны отсечки
• G.655 — волокно с ненулевой смещенной дисперсией
• G.656 — волокно с ненулевой дисперсией для широкополосной передачи
• G.657 — волокно, нечувствительное к изгибам

Выбор типа волокна зависит от конкретного применения и требований к линии связи.

Области применения одномодовых волокон

Одномодовые волокна широко используются в следующих сферах:

• Магистральные линии связи большой протяженности
• Подводные волоконно-оптические линии
• Городские сети связи
• Сети кабельного телевидения
• Сети доступа FTTH
• Системы со спектральным уплотнением каналов

Одномодовые волокна являются оптимальным выбором для высокоскоростных линий связи большой протяженности.

Пластиковое оптическое волокно (POF)

Помимо кварцевых волокон, существует пластиковое оптическое волокно (POF — Plastic Optical Fiber). Его особенности:

• Сердцевина и оболочка изготовлены из полимерных материалов
• Большой диаметр сердцевины (около 1 мм)
• Высокие потери (100-200 дБ/км)
• Рабочие длины волн в видимом диапазоне
• Простота монтажа и эксплуатации
• Низкая стоимость компонентов

POF применяется в автомобильной электронике, промышленных сетях, медицине и других областях, где важна простота использования.

Кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS)

HCS-волокно (Hard Clad Silica) занимает промежуточное положение между кварцевыми и пластиковыми волокнами. Его характеристики:

• Кварцевая сердцевина и полимерная оболочка
• Диаметр сердцевины 200 мкм
• Затухание в единицы-десятки дБ/км
• Рабочие длины волн 650-850 нм
• Простота монтажа
• Дальность передачи до нескольких километров

HCS-волокно применяется в промышленных сетях связи, системах автоматизации, медицине и других специальных приложениях.

кварцевые и не только / Хабр

Время от времени на Хабре появляются различные статьи на тему волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), что неудивительно, поскольку оптическая связь сегодня является одним из основных способов передачи информации. Оптические линии связи успешно конкурируют с традиционными медными линиями и беспроводными технологиями. Именно оптическому волокну мы во многом обязаны резким увеличением объема и скорости передаваемой по всему миру информации за последние годы и, в частности, развитием Интернета. Более того, с каждым годом оптическое волокно становится все ближе к потребителю и осваивает все новые сферы применения.

Мы уверены, что каждый уважающий себя IT-специалист должен иметь хотя бы общее представление о ВОЛС, независимо от того, чем конкретно он занимается. Предлагаемая вашему вниманию статья посвящена разновидностям и классификации оптических волокон. Конечно, сейчас можно легко найти очень много разной информации на эту тему. Но, как вы увидите дальше, и нам есть что рассказать. Тем более что на Хабре пока тема оптического волокна освещена, как нам кажется, в недостаточной степени.

Компания «ЭФО» занимается поставками импортных электронных компонентов на российский рынок с 1991 года. Последние 15 лет (с 2001 г.) наша программа поставок включает волоконно-оптические и оптоэлектронные компоненты. Исторически сложилось, что основными нашими клиентами являются представители разных отраслей промышленности.

«ЭФО» имеет несколько специализированных сайтов под разные группы продукции. Оптической связи посвящен сайт infiber.ru, которым занимаются сотрудники Отдела волоконно-оптических компонентов. Сайт содержит каталог волоконно-оптической продукции, которую мы поставляем. Также здесь публикуются новости производителей и статьи, написанные сотрудниками отдела. Наш сайт создан недавно, но активно развивается.

Как уже упоминалось, в этой статье мы хотели рассказать не столько о самом оптическом волокне, сколько о его разновидностях и классификации. Большинство читателей, скорее всего, знает разницу между одномодом и многомодом, но мы хотим дать более детальную информацию, чтобы Вы могли легко ориентироваться в многообразии современных волокон и их свойствах и не испытывали затруднений с вопросами, которые возникают в практической работе, например:

• Что означает OM4 в спецификации к оптическому волокну и чем оно отличается от OM1, OM2 и OM3?
• Какие материалы используются при производстве волокон и кабелей? Что такое пластиковое оптическое волокно?
• Где следует использовать волокно со смещенной дисперсией и в каких случаях дисперсия должна быть нулевой?
• Что означают аббревиатуры POF и HCS (PCS)?

Опыт общения с заказчиками показывает, что эти и другие вещи, связанные с классификацией волокон, известны далеко не всем (напомним, наши клиенты в основном работают в промышленности и чаще всего являются специалистами каждый в своей области). Поэтому считаем, что подобная информация будет крайне полезной. Очень надеемся, что одной статьей наше совместное обсуждение темы ВОЛС на Хабре не закончится.

Немного забегая вперед, отметим, что одной из главных особенностей этой статьи мы считаем знакомство читателей с волокнами POF и HCS, поскольку 1) эти волокна набирают все большую популярность в промышленности и других сферах и 2) в отличие от традиционных кварцевых волокон они не так хорошо освещены в русскоязычном интернете.

И последнее. Недавно мы разместили на нашем сайте пять статей, в которых более подробно рассказывается об оптическом волокне и его основных типах. Кому информации, изложенной ниже, окажется недостаточно, добро пожаловать к нам на сайт!

Исходя из поставленной задачи (представить классификацию оптических волокон), мы не хотели бы сильно углубляться в теоретические основы волоконно-оптической связи. Но для того чтобы информация была понятна широкому кругу читателей, начнем все-таки с того, что представляет собой оптическое волокно, каким образом по нему передается сигнал и каковы его некоторые основные характеристики.

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

Информационный сигнал передается по оптическому волокну в виде модулированного светового излучения. Благодаря явлению полного внутреннего отражения (вспомните школьный курс геометрической оптики), свет, попавший в оптоволокно, распространяется по нему на большие расстояния. Сердцевина и оптическая оболочка волокна изготавливаются из материалов с незначительно отличающимися показателями преломления (показатель преломления сердцевины больше). Поэтому световые волны, попавшие в сердцевину под углами, меньшими некоторого критического значения, многократно переотражаются от оболочки. Если при этом выполняются условия для распространения в волноводе (свет – это не только поток частиц, но и электромагнитная волна), то такие световые волны, называемые модами, распространяются на значительные расстояния.

Помимо разницы между показателями преломления сердцевины и оболочки важную роль играет профиль показателя преломления сердцевины, то есть зависимость величины показателя преломления от радиуса поперечного сечения оптоволокна. Если показатель преломления остается одинаковым во всех точках сечения сердцевины, такой профиль называется ступенчатым, если плавно уменьшается от центральной оси к оболочке, – градиентным. Встречаются и более сложные профили. Профиль показателя преломления оказывает большое влияние на характеристики оптического волокна как среды передачи информации.

Среди большого числа характеристик и параметров, описывающих оптическое волокно как среду передачи данных, отметим наиболее важные – затухание (потери) и дисперсию.

Затухание – это постепенное ослабление мощности оптического сигнала по мере распространения по оптоволокну, вызванное разными физическими процессами. Величина затухания имеет сложную зависимость от длины волны излучения и измеряется в дБ/км. Затухание служит одним из главных факторов, ограничивающих дальность передачи сигнала по оптическому волокну (без ретрансляции).

Дисперсия – это уширение оптического импульса, передаваемого по оптоволокну, во времени. При высокой частоте следования импульсов такое уширение на некотором расстоянии от передатчика приводит к перекрыванию соседних импульсов и ошибочному приему данных. Дисперсия ограничивает как дальность, так и скорость передачи информации.

Рассказав (или напомнив) читателю об этих базовых понятиях, перейдем к тому, ради чего все это излагалось, – к классификации оптических волокон. Существует огромное количество различных оптических волокон, поэтому сразу сделаем оговорку, что мы не будем касаться так называемых специальных волокон, используемых в научных исследованиях и разных специфических применениях, а также волокон, которые пока являются скорее технологиями будущего. Мы сосредоточимся на тех типах оптических волокон, которые уже сегодня широко используются в телекоммуникациях. А таких типа четыре.

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

• Материал, из которого изготавливается сердцевина и оптическая оболочка. Оптоволокно может изготавливаться не только из кварцевого стекла, но и из других материалов, в частности из полимеров.
• Количество распространяющихся мод. В зависимости от геометрических размеров сердцевины и оболочки и величины показателя преломления в оптическом волокне может распространяться только одна или же большое количество пространственных мод. Поэтому все оптические волокна делят на два больших класса: одномодовые и многомодовые.

Таким образом, можно выделить четыре больших класса оптических волокон (ссылки ведут к соответствующим статьям на infiber.ru):

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

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

Поговорим подробнее о каждом из этих типов.

1. Кварцевое многомодовое волокно

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

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

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

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

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

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

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

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

2. Кварцевое одномодовое волокно

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

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

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

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

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

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

3. Пластиковое оптическое волокно (POF)

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

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

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

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

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

4. Кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS)

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

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

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

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

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

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

Подведем итоги. Как видим, зачастую выбор оптического волокна для создания линии связи не ограничивается выбором одномод VS многомод. Ассортимент оптических волокон достаточно разнообразен, и в зависимости от ситуации наилучшим решением может оказаться использование того или иного типа волокна из тех, что были описаны в данной статье.

Напоследок благодарим всех читателей за внимание. Надеемся, что статья оказалась не только познавательной, но и полезной (или окажется таковой в будущем). С нетерпением ждем комментариев и вопросов.

принципы работы, виды и конструкция

Оптическое волокно – это тонкая стеклянная нить круглого сечения, предназначенная для передачи информационных сигналов по средствам световых импульсов в инфракрасном диапазоне. Конструктивно оптический световод представляет собой коаксиальную структуру, состоящую из сердцевины и оболочки, покрытых акрилатным составом для защиты от внешней среды.

Конструкция и принцип работы оптического волокна

Оптическое волокно состоит из сердцевины (в некоторой литературе называется сердечник) и оболочки, материалом для которых является плавленый кварц.

Конструкция оптического волокна

Несмотря на то, что обе части волокна сделаны из кварцевого стекла, они обладают разными показателями преломления: сердцевина имеет более высокий показатель преломления, оболочка – меньший. Сердцевина волокна служит для передачи светового потока, в то время как оболочка нужна для создания условий для явления полного внутреннего отражения.

Внутреннее отражение – это явление отражения электромагнитной волны (свет тоже является электромагнитной волной)от границы раздела двух сред (отмечено на рисунке ниже).

Явление полного внутреннего отражения в волокне

Для появления данного эффекта, волна должна подаваться из оптически более плотной среды в менее плотную, в таком случае отражение волны пройдёт без потери энергии импульса. Благодаря полному внутреннему отражению световой поток в рамках оптического волокна способен преодолевать значительные расстояния, от сотен метров до сотен километров.

При деформации (изгибе) оптического волокна условия для эффекта полного внутреннего отражения нарушаются и часть светового потока выходит в оболочку.

Возникновение затуханий на изгибе волокна

Выход части энергии света в оболочку приводит к затуханию передаваемого оптического сигнала, поэтому у любого оптического кабеля есть значения минимального радиуса изгиба, соблюдения которого, гарантирует отсутствия дополнительных затуханий, связанных с деформацией волокна.

Типы оптических волокон

Оптические волокна делятся на две группы: многомодовые и одномодовые. Конструктивно они отличаются только диаметром сердцевины: у многомодовых волокон, она больше длины волны, передаваемых сигналов, за счёт чего по волокну передаётся несколько оптических мод (лучей), у одномодовых, сердцевина меньше длины волны сигнала и это позволяет передавать только одну моду.

Передача света в одномодовых и многомодовых волокнах

Любое оптическое волокно характеризуется 3 основными параметрами:

1. вносимое затухание;
2. дисперсия сигнала;
3. ширина полосы пропускания.

Все 3 параметра связаны друг с другом. График собственных потерь в волокне позволяет оценить взаимосвязь между полосой пропускания и вносимыми потерями. Дисперсия же в большей степени связана с типом волокна и с длиной волны передачи.

График собственных потерь в волокне

На графике хорошо видны 3 основных спектральных диапазона наиболее подходящих для передачи световых импульсов. Эти диапазоны называются – окна прозрачности. Всего в современных оптических волокнах выделяют 5 окон прозрачности:

1. Первое окно прозрачности – 850 нм, задействовано только в многомодовых волокнах;
2. Второе окно прозрачности – 1300 нм, используется как в многомодовых, так и в одномодовых волокнах;
3. Третье окно прозрачности – 1550 нм, используется для передачи сигналов в одномодовых волокнах;
4. Четвёртое окно прозрачности – 1580 нм, является «расширением» третьего окна прозрачности в современных одномодовых волокнах;
5. Пятое окно прозрачности – 1400 нм, используется в одномодовых волокнах и актуально только для современных стандартов волокна, таких как G. 652C или G.652D.

Многомодовое волокно – Multi Mode Fiber (MMF)

Многомодовые волокна – это оптические волокна с диаметром сердцевины, большим чем передаваемая длина волны, что приводит к распространению по световоду нескольких оптических мод. Из-за многомодового режима в данном типе волокон наблюдается явление межмодовой дисперсии, которое значительно снижает безретранслиционную дальность распространения сигналов.

Диаметр оболочки у данного типа волокон может быть, как 250 мкм, так и 125 мкм, последнее на сегодняшний день является более распространённым. Диаметр сердцевины составляет 62,5 мкм для категории ОМ1 и 50 мкм для категорий ОМ2-ОМ5.

Сравнение диаметра ОМ1 и ОМ2-5

Световые сигналы в многомодовых волокнах могут передаваться в первых 3-х окнах прозрачности, но фактически для передачи используются первое и второе окно.  Для генерации сигналов используют лазеры LED и VCSEL. Они достаточно просты и недороги в производстве, что является преимуществом.

Использования первых 2-х окон прозрачности накладывает значительные ограничения на ширину полосы пропускания, в связи с чем в рамках многомодовых кабельных сетей практически не встречается спектрального уплотнения. Первое волокно, с достаточной для уплотнения полосой пропускания в первом окне прозрачности, представили в 2016 году – MMF OM5. Это волокно позволяет организовать систему спектрального уплотнения по технологии SWDM (Short Wavelength Division Multiplexing), с рабочим диапазоном 846 – 953 нм. Напомним, что технология позволяет мультиплексировать и передавать 4 длины волны в рамках одного многомодового волокна.

В данный момент существует 5 категорий MMF волокон для телекоммуникационных сетей:

1. ОМ1. Пропускная способность 100Мбит/с на расстояние до 2000 метров, поддерживаются волны 850 и 1300 нм. Устаревший тип волокна, который в наше время почти не используется.
2. ОМ2. Разработано для приложений 1.25Гбит/с до 550 м, на волнах 850 и 1300 нм, также поддерживает скорость 10Гбит/с до 82 м. Используется оболочка оранжевого цвета.
3. ОМ3. Оптимизировано для 10GbE до 300м на волне 850 нм. Маркируется голубым цветом (аква).
4. ОМ4. Оптимизировано для лазеров VCSEL 850 нм. Предназначено для передачи 40G (350 м) и 100G (100м) сигналов в центрах хранения данных. Для данной категории используется фиолетовый цвет (фуксия). Данная категория многомодового волокна наиболее актуальная на сегодняшний день.
5. ОМ5. Данная категория волокна разработана для использования технологии SWDM (коротко – волновое мультиплексирование), в которой используется 4 длины волны – 850, 880, 910 и 940 нм. Возможна передача 100G (4x25G) на расстояние до 150 м и 40G (4x10G) до 440 м. Категории ОМ5 присвоен цвет лайма (ярко-зелёный).

Сводная таблица по категориям ОМ

По совокупности качеств, MMF волокна нашли применение в локальных сетях, организации соединений в пределах одного здания или рядом стоящих зданий. Наибольшее распространение они получили в серверных и центрах обработки данных.

Одномодовое волокно – Single Mode Fiber (SMF)

Одномодовые волокна – это оптические волокна с диаметром сердцевины меньшим, чем передаваемая длина волны. За счёт чего в рамках волокна передаётся одна световая мода. Диаметр оболочки у одномодовых волокон зачастую составляет 125 мкм, диаметр сердцевины 9 мкм. Современные SMF волокна прозрачны во всех 5 окнах прозрачности, но первое (850 нм) как правило, не используется.

В одномодовых волокнах существует явление хроматической дисперсии. Наибольшее влияние оно оказывает на высокоскоростные сигналы от 10 Гбит/с и выше. Суть этого явления заключается в уширении импульса сигнала в процессе прохождения волокна, то есть чем больше расстояние передачи, тем сильнее исказиться сигнал. Данное явление может привести к «не читаемости» светового импульса при одиночной передачи или к наложению сигналов. Накладываются сигналы друг на друга в рамках системы спектрального уплотнения. Обе ситуации приводят к возникновению ошибок передачи данных. Для борьбы с этим явлением используют разные инструменты:

• Компенсаторы дисперсии – устройства, которые устанавливают на линии, в составе системы уплотнения. Изготавливаются из специального волокна со смещенной дисперсией или на основе решётки Брэга;
• Различные механизмы кодирования сигнала, например, FEC – механизм коррекции ошибок, использующий избыточное кодирование или CDR – механизм восстановления синхроимпульсов.

Схематичное изображение импульса сигнала до и после дисперсии

Важным преимуществом одномодовых волокон является широкий диапазон пропускания, от 1260 нм до 1620 нм. Это позволяет использовать системы спектрального уплотнения xWDM, для передачи сигналов на разных длинах волн в одном волокне. Таким образом, можно увеличить пропускную способность волокна, используя их с большей эффективностью. В данный момент разработано несколько систем уплотнения:

• CWDM – грубое спектральное уплотнение. Использует 18 длин волн с шагом 20 нм, во всём доступном диапазоне 1270-1610 нм. Используется в городских сетях;
• DWDM – плотное спектральное уплотнение. Позволяет использовать 44 или 88 длин волн с шагом 0,8 или 0,4 нм соответственно. Работает в диапазоне 1530 – 1625 нм, что позволяет использовать оптические усилители. Технология DWDM разработана для создания протяжённых магистралей с высокой пропускной способностью;
• LWDM и MWDM относительно молодые технологии, созданные для сетей 5G со скоростью передачи данных ≥25 Гбит/с. Используют наработки технологий CWDM и DWDM. Рабочий диапазон лежит в области первого окна прозрачности 1310 нм, т.к. хроматическая дисперсия почти не оказывает влияния на передаваемые сигналы.

В телекоммуникационных сетях связи используется несколько типов одномодовых волокон:

• Стандартное G.652D – наиболее распространённый и широко применяемый тип. Используется в локальных и городских сетях. Зона нулевой дисперсии расположена в области волны 1310 нм. Предыдущие 3 модификации G.652A, G.652B, G.652C в данный момент не актуальны;
• Волокно устойчивое к изгибам G. 657 отличается от G.652D тем, что предназначено для сетей доступа и локальных сетей. Оно обладает уменьшенным радиусом изгиба до 7,5 мм, что существенно снижает потери при прокладке внутри зданий и помещений;
• Волокно со смещённой ненулевой дисперсией G.655, разработано для систем спектрального уплотнения. Длина волны отсечки сдвинута с 1260 нм на 1450 нм, зона нулевой дисперсии сдвинута в третье окно прозрачности. Существует 5 модификаций, от А до Е. Данный тип волокон широко используется в междугородних линиях связи, протяжённостью более 100 км;
• Специализированные волокна. Существуют стандарты волокон – G.653, G.654, G.656. Каждый из них узко специализирован и не имеет широкого распространения.

Пластиковое (полимерное) волокно – Plastic/Polymer Optical Fiber (POF)

Данный вид оптических волокон является ответвлением от описанных выше и имеет значительные отличия от них. Как следует из названия, сердечник и оболочка сделаны из пластика, в основном используется акриловое стекло и полистирол. Важным отличием пластиковых волокон являются увеличенные размеры, так сердцевины составляет 980 мкм, а оболочки 1 мм.

Сравнение диаметров волокон SMF, MMF, POF

Из-за большого диаметра сердечника, пластиковые волокна функционально являются многомодовыми. Они так же наследуют явление межмодовой дисперсии, которая в них выражена ещё сильнее, что приводит к снижению максимальной дальности и скорости передачи. При этом пластиковые волокна гораздо проще в использовании. Относительно большие габариты позволяют уменьшить допуски при изготовлении коннекторов, что позитивно сказывается на их цене. Оконцовка пластиковых волокон также не требует особых инструментов, иногда достаточно обычных ножниц.

Для передачи данных в POF о волокнах используют лазеры с длиной волны 650 нм, из видимого диапазона излучения, которые также проще и дешевле в изготовлении.

Из-за совокупности этих качеств, пластиковые волокна, называют «бытовыми». Они хорошо подходят для домашнего использования, где расстояния редко превышают 100 м, например, в цифровых бытовых приборах, домашних сетях и некоторых промышленных сетях. Так же пластиковые волокна могут использоваться в автомобилях, благодаря компактным габаритам и малому весу.

Заключение

У каждого волокна есть свои особенности и сфера использования. Пластиковые волокна POF ограничены в расстоянии и скорости передачи, но просты в изготовлении и использовании. Многомодовые волокна MMF обладают низкой стоимостью, идеальны для дата-центров и серверных. Одномодовые волокна SMF наиболее универсальны в телекоммуникационных сетях, подходят для организации соединений на любые расстояния от нескольких метров до сотен километров. 

Любые оптические волокна имеют положительные свойства и особенности:

• Компактные размеры и малый вес упрощают прокладку и монтаж кабелей, а также сокращают используемое стоечное пространство;
• Сигнал передаётся при помощи света, вследствие чего он защищён от помех электромагнитного излучения;
• Широкий диапазон пропускания позволяет использовать несколько несущих длин волн для передачи множества сигналов, тем самым максимально эффективно использовать каждое волокно в кабеле.

Но волокна не лишены и недостатков, к ним можно отнести:

• Чувствительность к температуре. Оптические кабели нельзя прокладывать при отрицательной температуре окружающей среды. В стеклянных волокнах появляются трещины, которые приводят к высокому затуханию и отражению;
• Относительная сложность монтажа и эксплуатации, для которых необходим специальный инструмент и подготовленный специалист.

Чем мы можем Вам помочь?

Подбор оборудования

Бесплатный тест-драйв

Перепрошивка модулей

Что такое волоконная оптика — определение, значение и объяснение

Определение

Волоконная оптика — это технология, используемая интернет-сервисами, такими как домашний интернет Verizon Fios, для передачи информации в виде световых импульсов через нити из стекла или пластика на большие расстояния. . Волоконно-оптический широкополосный доступ исторически был ограничен там, где он предлагается, хотя Министерство энергетики США оценивает возможность расширения волоконно-оптических сетей. (Узнайте, доступен ли оптоволоконный кабель Verizon Fios в вашем регионе.)

Диаметр оптических волокон примерно равен пряди человеческого волоса, и когда они объединены в оптоволоконный кабель, они способны передавать больше данных на большие расстояния и быстрее, чем другие среды. Именно эта технология обеспечивает дома и предприятия оптоволоконным интернетом, телефонной связью и телевизионными услугами.

Волоконно-оптические кабели

Волоконно-оптический кабель содержит от нескольких до сотен оптических волокон в пластиковой оболочке. Также известные как оптические кабели или оптоволоконные кабели, они передают сигналы данных в виде света и перемещаются на сотни миль значительно быстрее, чем те, которые используются в традиционных электрических кабелях. А поскольку оптоволоконные кабели неметаллические, на них не действуют электромагнитные помехи (т. е. молния), которые могут снизить скорость передачи. Волоконно-оптические кабели также более безопасны, поскольку они не проводят ток и, следовательно, не могут генерировать искру.

Что такое оптоволоконная сеть?

Существует несколько различных типов оптоволоконных сетей, но все они начинаются с оптических кабелей, идущих от сетевого концентратора к обочине рядом с вашим домом или прямо к вашему дому, чтобы обеспечить оптоволоконное подключение к Интернету. Самый быстрый тип оптоволоконной сети называется «Оптоволокно до дома» (FTTH) или «Оптоволокно до помещения» (FTTP), потому что это 100% оптоволоконное соединение с оптоволоконными кабелями, проложенными к терминалам, напрямую подключенным к домам, многоквартирным домам и предприятиям.

С другой стороны, оптоволокно до тротуара (FTTC) является частичным оптоволоконным соединением, поскольку оптические кабели проходят до тротуара рядом с домами и предприятиями, а медные кабели передают сигналы от тротуара до конца пути. Точно так же оптоволокно в здание (FTTB) — это когда оптоволоконный кабель идет к точке на общей территории, а другой кабель обеспечивает подключение к офисам или другим помещениям.

Оптоволоконный интернет

Fios — сеть, получившая наибольшее количество наград за удовлетворенность интернет-услугами за последние 10 лет.

Теперь, когда вы знаете, как работает оптоволоконная оптика, давайте поговорим о многочисленных преимуществах оптоволоконной скорости.

Когда вы находитесь в сети FTTH, вы получаете значительно более высокую скорость загрузки и выгрузки, большую пропускную способность для нескольких домашних устройств и надежное соединение. И это именно то, что вы получите с Verizon Fios, полностью оптоволоконной сетью.

Гигабитное соединение Fios в некоторых регионах обеспечивает скорость загрузки до 940 Мбит/с и скорость загрузки 880 Мбит/с. Вы будете наслаждаться потоковой передачей HD, играми, видеоконференциями и многим другим на более чем 100 устройствах одновременно — практически без задержек. Неудивительно, что лидеры отрасли снова и снова ставят Fios на первое место. Купите Verizon Fios и узнайте, доступен ли оптоволоконный интернет в вашем районе.

_{Ссылки:}

_{Национальный научный фонд. Волоконная оптика.}

_{Отчет Министерства энергетики США о возможности использования волоконной оптики за 2020 год}

_{Вышеприведенный контент предоставляется только в информационных целях. Вся информация, содержащаяся здесь, может быть изменена без предварительного уведомления. Verizon не несет ответственности за любые прямые или косвенные убытки, возникшие в результате или связанные с использованием или доверием к вышеуказанному контенту.}

оптоволокно | Определение, изобретатели и факты

оптическое волокно

Посмотреть все носители

Ключевые сотрудники:

Грегори Олсен Чарльз Као

Похожие темы:

геометрическая оптика опто-волоконный кабель волоконно-оптический эндоскоп оптоволокно

Просмотреть весь связанный контент →

Популярные вопросы

Что такое оптоволокно?

Волоконная оптика, также называемая волоконной оптикой, представляет собой науку о передаче данных, голоса и изображений путем прохождения света через тонкие прозрачные волокна.

Из чего состоят оптические волокна, используемые в волоконной оптике?

Оптические волокна, используемые в волоконной оптике, иногда изготавливаются из пластика, но чаще всего из стекла. Типичное стеклянное оптическое волокно имеет диаметр 125 микрометров (мкм) или 0,125 мм (0,005 дюйма). Пластиковые волокна изготавливаются из полиметилметакрилата, полистирола или поликарбоната. Они дешевле в производстве и более гибкие, чем стеклянные волокна, но их ослабление света ограничивает их использование более короткими звеньями.

Для чего используется оптоволокно?

В телекоммуникациях оптические волокна используются для замены медных проводов в междугородных телефонных линиях и для соединения компьютеров в локальных сетях. Волоконная оптика также является основой фиброскопов, используемых для эндоскопии или осмотра внутренней части изготовленных конструкционных изделий.

Какой тип света используется в оптоволокне?

Оптоволоконная связь использует инфракрасный свет в диапазоне длин волн 0,8–0,9мкм или 1,3–1,6 мкм — длины волн, эффективно генерируемые светодиодами или полупроводниковыми лазерами и испытывающие минимальное затухание в стеклянных волокнах.

Почему оптоволокно лучше всего подходит для передачи данных на большие расстояния?

Благодаря принципу полного внутреннего отражения световые лучи, направленные в оптические волокна, могут распространяться внутри сердцевины на большие расстояния с исключительно кратким ослаблением или уменьшением интенсивности, что делает оптоволокно идеальным методом для передачи данных на большие расстояния.

Наблюдайте за лабораторным производством оптических волокон, которые будут использоваться для телекоммуникаций.

Просмотреть все видео для этой статьи. тонкие, прозрачные волокна. В телекоммуникациях волоконно-оптические технологии практически заменили медные провода в междугородних телефонных линиях и используются для соединения компьютеров в локальных сетях. Волоконная оптика также лежит в основе фиброскопов, используемых при осмотре внутренних частей тела (эндоскопия) или осмотре внутренней части изготовленных конструкционных изделий.

Основой волоконной оптики является тонкое, как волос, волокно, которое иногда делают из пластика, но чаще всего из стекла. Типичное стеклянное оптическое волокно имеет диаметр 125 микрометров (мкм) или 0,125 мм (0,005 дюйма). Фактически это диаметр облицовки, или внешнего отражающего слоя. Сердцевина или внутренний передающий цилиндр может иметь диаметр всего 10 мкм. Благодаря процессу, известному как полное внутреннее отражение, световые лучи, направленные в волокно, могут распространяться внутри сердцевины на большие расстояния с очень небольшим затуханием или снижением интенсивности. Степень затухания на расстоянии варьируется в зависимости от длины волны света и состава волокна.

Викторина «Британника»

Викторина «Электроника и гаджеты»

Кто производитель iPhone? В каком году был представлен DVD? Айпод? Отсканируйте эти вопросы и проверьте свои знания об электронике и гаджетах.

Когда в начале 1950-х годов были представлены стеклянные волокна с дизайном сердцевина/оболочка, присутствие примесей ограничивало их применение до короткой длины, достаточной для эндоскопии. В 1966 году инженеры-электрики Чарльз Као и Джордж Хокхэм, работавшие в Англии, предложили использовать волокна для телекоммуникаций, и в течение двух десятилетий производились волокна из кварцевого стекла с достаточной чистотой, чтобы инфракрасные световые сигналы могли проходить по ним на расстояние 100 км (60 миль) или больше без необходимости усиления повторителями. В 2009Као был удостоен Нобелевской премии по физике за свою работу. Пластиковые волокна, обычно изготовленные из полиметилметакрилата, полистирола или поликарбоната, дешевле в производстве и более гибкие, чем стеклянные волокна, но их большее ослабление света ограничивает их использование гораздо более короткими линиями внутри зданий или автомобилей.

Оптическая связь обычно осуществляется с использованием инфракрасного света в диапазонах длин волн 0,8–0,9 мкм или 1,3–1,6 мкм — длинах волн, которые эффективно генерируются светоизлучающими диодами или полупроводниковыми лазерами и которые испытывают наименьшее затухание в стеклянных волокнах.