Принцип передачи данных волоконно-оптическим кабелем

Как известно, все данные в компьютере представляются в виде нулей и единиц. Все стандартные кабели передают бинарные данные с помощью электрических импульсов. И только волоконно-оптический кабель, используя тот же принцип, передает данные с помощью световых импульсов. Источник света посылает данные по волоконно-оптическому «каналу», а принимающая сторона должна преобразовать полученные данные в необходимый формат.

Канал оптической передачи состоит из передатчика, световедущего оптического волокна и приёмника.

Существуют два типа оптоволоконных кабелей:

-многомодовый (multimode) , или мультимодовый, кабель, более дешевый, но менее качественный (ММ );

-одномодовый (single mode) кабель, более дорогой, но имеющий лучшие характеристики (SM ).

Основные различия между этими типами связаны с разными режимами прохождения световых лучей в кабеле.

Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна 3 - 10 мкм. Для передачи данных используют свет с длиной волны 1300 и 1500 нм. Дисперсия и потери сигнала на этих частотах очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Однако длина одномодового кабеля может достигать 80 км.

В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается (Рис). Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки - 125 мкм (это иногда обозначается как 62,5/125). Допустимая длина кабеля достигает 2-5 км.

Для передачи данных на одном конце оптоволокна устанавливают передатчик-излучатель, на другом - фотоприемник. Тем самым, одновременно задействованы два волокна, одно из которых передает, а другое – принимает данные. Принятый оптический сигнал преобразуется в электрический с помощью специальных устройств – медиаконвертеров (Рис. 107), имеющих порты для подключения оптоволокна и кабеля «витая пара». Медиаконвертеры могут иметь исполнение в виде модулей, подключаемых непосредственно в слот коммутатора, как это показано на рис.

В последнее время для экономии числа волокон (а также соединительной аппаратуры) используют волновое мультиплексирование (WDM, Wave Division Multiplexing ): на одной длине волны передают сигнал в одном направлении, на другой - в обратном. Для этого используются приемопередатчики со встроенным WDM и одним разъемом для подключения волокна. На противоположных концах линии устанавливают разнотипные приемопередатчики: у одного передатчика длина волны равна1300 нм, у приемника – 1550 нм; у другого - наоборот.

Многомодовое волокно, в свою очередь, бывает двух типов: со ступенчатым и градиентным профилями показателя преломления по его сечению.

Рис.1 Одномодовое и многомодовое оптическое волокно

Несмотря на огромное разнообразие оптоволоконных кабелей, волокна в них практически одинаковые. Более того, производителей самих волокон намного меньше (наиболее известны Corning, Lucent и Fujikura), чем производителей кабелей.

По типу конструкции, вернее по размеру серцевины, оптические волокна делятся на одномодовые (ОМ) и многомодовые (ММ). Строго говоря, употреблять эти понятия следует относительно конкретной используемой длины волны, но после рассмотрения Рисунка 8.2, становится понятно, что на сегодняшнем этапе развития технологий можно это не учитывать.

Рис. 8.3. Одномодовые и многомодовые оптические волокна

В случае многомодового волокна диаметр сердечника (обычно 50 или 62,5 мкм) почти на два порядка больше, чем длина световой волны. Это означает, что свет может распространяться в волокне по нескольким независимым путям (модам). При этом очевидно, что разные моды имеют разную длину, и сигнал на приемнике будет заметно "размазан" по времени.

Из-за этого хрестоматийный тип ступенчатых волокон (вариант 1), с постоянным коэффициентом преломления (постоянной плотностью) по всему сечению сердечника, уже давно не используется из-за большой модовой дисперсии.

На смену ему пришло градиентное волокно (вариант 2), которое имеет неравномерную плотность материала сердечника. На рисунке хорошо видно, что длины пути лучей сильно сокращены за счет сглаживания. Хотя лучи, проходящие дальше от оси световода, преодолевают большие расстояния, они при этом имеют большую скорость распространения. Происходит это из-за того, что плотность материала от центра к внешнему радиусу уменьшается по параболическому закону. А световая волна распространяется тем быстрее, чем меньше плотность среды.

В результате более длинные траектории компенсируются большей скоростью. При удачном подборе параметров, можно свести к минимуму разницу во времени распространения. Соответственно, межмодовая дисперсия градиентного волокна будет намного меньше, чем у волокна с постоянной плотностью сердечника.

Однако, как бы не были сбалансированы градиентные многомодовые волокна, полностью устранить эту проблему можно только при использовании волокон, имеющих достаточно малый диаметр сердечника. В которых, при соответствующей длине волны, будет распространяться один единственный луч.

Реально распространено волокно с диаметром сердечника 8 микрон, что достаточно близко к обычно используемой длине волны 1,3 мкм. Межчастотная дисперсия при неидеальном источнике излучения остается, но ее влияние на передачу сигнала в сотни раз меньше, чем межмодовой или материальной. Соответственно, и пропускная способность одномодового кабеля намного больше, чем многомодового.

Как это часто бывает, у более производительного типа волокна есть свои недостатки. В первую очередь, конечно, это более высокая стоимость, обусловленная стоимостью комплектующих, и требованиями к качеству монтажа.

Таб. 8.1. Сравнение одномодовых и многомодовых технологий.

Параметры	Одномодовые	Многомодовые
Используемые длины волн	1,3 и 1,5 мкм	0,85 мкм, реже 1,3 мкм
Затухание, дБ/км.	0,4 - 0,5	1,0 - 3,0
Тип передатчика	лазер, реже светодиод	светодиод
Толщина сердечника.	8 мкм	50 или 62,5 мкм
Стоимость волокон и кабелей.	Около 70% от многомодового	-
Средняя стоимость конвертера в витую пару Fast Ethernet.	$300	$100
Дальность передачи Fast Ethernet.	около 20 км	до 2 км
Дальность передачи специально разработанных устройств Fast Ethernet.	более 100 км.	до 5 км
Возможная скорость передачи.	10 Гб, и более.	до 1 Гб. на ограниченной длине
Область применения.	телекоммуникации	локальные сети

Из одной удаленной точки до другой, все чаще вместо традиционного медного провода заказчику подрядными организациями предлагается прокладка Об этой интересной технологии мы сегодня и поговорим.

Работают на принципе передачи световой волны по специальному каналу, выполненному из особо чистого, кварцевого стекла. Электрические импульсы электронного оборудования поступают на который генерирует поток световых вспышек и передает их в кабель. На другом конце приемник получает световой поток и транскодирует его обратно в Поскольку весь процесс контролируется электроникой и представляет из себя цифровые преобразования, искажения минимальны.

Чтобы построить такие ВОЛС, используют специальный материал - одномодовое волокно и многомодовое.

Оптические линии получили такое широкое распространение не только благодаря отсутствию помех при передаче сигнала. В числе неоспоримых достоинств этой технологии широкая полоса, очень слабое затухание сигнала, непревзойденная стойкость к любым помехам электромагнитной природы, огромная дальность передачи, составляющая многие десятки километров. Весомым плюсом является и долгий срок службы коммуникаций, проложенных с помощью ВОЛС, составляющий минимум 25 лет.

Виды оптоволокна

При монтаже линий связи с применением ВОЛС выбирают либо многомодовое, либо одномодовое волокно.

Из чего состоит такой кабель? Ядром оптоволокна является кварцевое, сверхчистое стекло, которое и пропускает через себя световой поток. А распыление его не происходит, потому что коэффициент преломления оболочки ниже, чем у ядра, следовательно, световой луч полностью отражается от стенок внутри волокна.

Многомодовое оптоволокно хорошо тем, что в него можно запустить сразу несколько сотен световых мод, которые вводятся под разными углами. Каждая такая мода имеет свою собственную траекторию и, как следствие, уникальное время распространения.

Главный недостаток такого типа волокон - модовая дисперсия, которая сужает и ограничивает максимальную длину линии. Передатчики для многомодовых линий связи обычно имеют предельную дальность около 5 километров.

Проблему снижения модовой дисперсии решает кабель с градиентным профилем преломления сердцевины. В таком оптоволокне, в отличие от стандартных вариантов, параметры преломления уменьшаются от центра ядра к оболочке, что дает значительное улучшение параметров передаваемого сигнала.

Одномодовое волокно спроектировано, исходя из задачи пропуска через всего одной моды (основной). Этот подход дает много преимуществ. Некоторые характеристики у кабеля, выполненного по одномодовой технологии, на порядок лучше, чем у того, что изготовлен по многомодовой. Именно это является решающим фактором, который влияет на выбор инженеров в пользу первой при прокладке новых ВОЛС. Ведь одномодовое волокно дает затухание сигнала на уровне 0,25db на километр, величина дисперсии в нем очень мала, а широкая полоса пропускания обеспечивает четкую и быструю передачу больших объемов данных без искажений.

Но есть в этой бочке меда и ложка дегтя. Этот тип намного дороже, чем многомодовые волокна. Так как размер световодного ядра в одномодовом кабеле очень мал, ввод излучения в такой кабель является непростой задачей и требует очень тщательного контроля при сращивании. Концевые разъемы для этих линий также стоят намного дороже, чем концевики многомодовых линий. К тому же у последних благодаря простоте ввода светового пучка в широкое ядро очень простые и дешевые излучатели, которые к тому же выпускаются огромным количеством конкурирующих компаний.

/ Одномодовый (SM) и многомодовый (MM) оптический кабель

Одномодовый (SM) и многомодовый (MM) оптический кабель

Волоконно-оптические волокна могут быть двух типов:

• Одномодовое (SM, Single Mode)
• Многомодовое (MM, Multi Mode)

Одномодовый оптический кабель передает одну моду и имеет диаметр сечения ≈ 9,5 нм. В свою очередь, одномодовый волоконно оптический кабель может быть с несмещ енной, смещ енной и ненулевой смещ енной дисперсией.

Волоконно оптический многомодовый кабель ММ переда ет множество мод и имеет диаметр 50 или 62,5 нм.

На первый взгляд, напрашивается вывод, что многомодовый оптоволоконный кабель лучше и эффективнее, нежели оптический кабель SM. Тем более, что и специалисты нередко высказываются в пользу ММ на том основании, что, раз многомодовый оптический кабель обеспечивает многократный приоритет по производительности в сравнении с SM, то он во всех отношениях лучше его.

Между тем, мы бы воздержались от таких однозначных оценок. Количественный показатель — далеко не единственное основание для сравнения, и во многих ситуациях одномодовый оптоволоконный кабель оказывается предпочтительнее.

Главное отличие SM и MM кабелей — размерные показатели. Кабель оптический SM имеет волокно с меньшей толщиной (8-10 микрон). Это обуславливает его возможность передавать волну только одной длины по центральной моде. Толщина основного волокна в кабеле ММ значительно больше, 50-60 микрон. Соответственно, такой кабель одновременно может передавать несколько волн с разными длинами по нескольким модам. Однако большее количество мод сужают пропускную способность волоконно-оптического кабеля.

Остальные отличия одно- и многомодовых кабелей касаются материалов, из которых они изготовлены, и используемых источников света. Оптический кабель одномодовый имеет и стержень и оболочку, изготовленные только из стекла, а в качестве источника света — лазер. Кабель же ММ может иметь как стеклянные, так и пластиковые оболочку и стержень, а источником света для него служит светодиод.

Одномодовый кабель оптический 9/125 мкм

Кабель оптический одномодовый 8 волокон типа 9 125, имеет однотрубочную модульную конструкцию. Световоды расположены в центральной трубке, которая заполнена гидрофобным гелем. Наполнитель над ежно защищает волокна от разного рода механических воздействий, кроме того, он исключает воздействие температурных изменений внешней среды. Для защиты от грызунов и других подобных воздействий используется дополнительная опл етка из стеклоткани.

По сути, разработка и производство кабеля волоконно оптического 9 125 сводятся к поиску оптимального решения проблемы уменьшения оптической дисперсии (вплоть до нуля) на всех частотах, с которыми кабель будет работать. Большое количество мод отрицательно влияет на качество сигнала, а одномодовый кабель на деле имеет не одну моду, а несколько. Число их намного меньше, чем в многомодовом, тем не менее, оно больше единицы. Снижение эффекта оптической дисперсии приводит к уменьшению количества мод, и, соответственно, к улучшению качества сигнала.

В большинстве стандартов оптических волокон, применяемых в кабелях 9 125, нулевая дисперсия обеспечивается в узком диапазоне частот. Таким образом, одномодовым в буквальном смысле кабель является лишь с волнами конкретной длины. Однако существующие технологии уплотнения используют набор оптических частот для приема и передачи сразу нескольких широкополосных оптических каналов связи.

Одномодовый волоконно оптический кабель 9 125 используется как внутри зданий, так и на внешних магистралях. Его можно закапывать в грунт или применять в качестве подвесного кабеля.

Многомодовый оптический кабель 50/125 мкм

Кабель волоконно-оптический 50/125(OM2) многомодовый, применяется в оптических сетях с 10-гигабайтными скоростями, построенных на многомодовом волокне. В соответствиями с изменениями спецификации ISO/IEC 11801 в таких сетях рекомендуется использовать новый тип патч-кордового кабеля класса ОМЗ с типоразмером 50 125.

Кабель оптический 50 125 ОМЗ, соответственно сетевым приложениям 10 Gigabit Ethernet, предназначается для осуществления передачи данных на волнах длиной 850 нм либо 1300 нм, отличных максимально допустимыми значениями затухания. Используется для обеспечения связи в диапазоне действия частот 1013-1015 Гц.

Оптический кабель многомодовый 50 125 предназначается для патч-кордов и разводки до рабочего места, и используется только внутри помещений.

Кабель поддерживает передачу данных на короткие расстояния и подходит для непосредственного терминирования. Структура стандартного многомодового оптического волокна G 50/125 (G 62,5/125) мкм соответствует стандартам: EN 188200; VDE 0888, часть 105; МЭК “IEC 60793-2”; Рекомендация МСЭ-Т (ITU-T) G.651.

MM 50/125 имеет важное преимущество, которое заключается в низких потерях и абсолютной невосприимчивости к разного рода помехам. Это позволяет строить системы с сотнями тысяч каналов телефонной связи.

Виды применяемых волокон

В производстве SM и MM кабелей используются одномодовые и многомодовые волокна следующих типов:

• одномодовое, рекомендация ITU-Т G.652.В (в маркировке тип “Е”);
• одномодовое, рекомендация ITU-Т G.652.С, D (в маркировке тип “А”);
• одномодовое, рекомендация ITU-Т G.655 (в маркировке тип “Н”);
• одномодовое, рекомендация ITU-Т G.656 (в маркировке тип “С”);
• многомодовое, с сердцевиной диаметром 50 мкм, рекомендация ITU-Т G.651 (в маркировке тип “М”);
• многомодовое, с сердцевиной диаметром 62,5 мкм (в маркировке тип “В”)

Оптические параметры волокон в буферном покрытии должны соответствовать спецификациям фирм-поставщиков.

Параметры оптических волокон:

Тип OB Символы позиции 3.4 таблицы 1 ТУ	Многомодовое		Одномодовое
	М	В	Е	А	Н	С
Рекомендация МСЭ-Т	G.651	-	G.652B	G.652C(D)	G.655	G.656
Геометрические характеристики
Диаметр отражающей оболочки, мкм	125 ± 1	125 ± 1	125 ± 1	125 ± 1	125 ± 1	125 ± 1
Диаметр по защитному покрытию, мкм	250 ± 15	250 ± 15	250 ± 15	250 ± 15	250 ± 15	250 ± 15
Некруглость отражающей оболочки, %, не более	1	1	1	1	1	1
Неконцентричность сердцевины, мкм, не более	1,5	1,5	-	-	-	-
Диаметр сердцевины, мкм	50 ± 2,5	62,5 ± 2,5
Диаметр модового поля, мкм, на длине волны: 1310 нм 1550 нм	- -	- -	9,2 ± 0,4 10,4 ± 0,8	9,2 ± 0,4 10,4 ± 0,8	- 9,2 ± 0,4	- 7,7 ± 0,4
Неконцентричность модового поля, мкм, не более	-	-	0,8	0,5	0,8	0,6
Передаточные характеристики
Рабочая длина волны, нм	850 и 1300	850 и 1300	1310 и 1550	1275 ÷ 1625	1550	1460 ÷ 1625
Коэффициент затухания OB, дБ/км, не более, на длине волны: 850 нм 1300 нм 1310 нм 1383 нм 1460 нм 1550 нм 1625 нм	2,4 0,7 - - - - -	3,0 0,7 - - - - -	- - 0,36 - - 0,22 -	- - 0,36 0,31 - 0,22 -	- - - - - 0,22 0,25	- - - - 0,35 0,23 0,26
Числовая апертура	0,200 ± 0,015	0,275 ± 0,015	-	-	-	-
Ширина полосы пропускания, МГц×км, не менее, на длине волны: 850 нм 1300 нм	400 ÷ 1000 600 ÷ 1500	160 ÷ 300 500 ÷ 1000	- -	- -	- -	- -
Коэффициент хроматической дисперсии пс/(нм×км), не более, в интервале длин волн: 1285÷1330 нм 1460÷1625 нм (G.656) 1530÷1565 нм (G.655) 1565÷1625 нм (G.655) 1525÷1575 нм	- - - - -	- - - - -	3,5 - - - 18	3,5 - - - 18	- - 2,6 - 6,0 4,0 - 8,9 -	- 2,0 - 8,0 4,0 - 7,0 - -
Длина волны нулевой дисперсии, нм	-	-	1300 ÷ 1322	1300 ÷ 1322	-	-
Наклон дисперсионной характеристики в области длины волны нулевой дисперсии, в интервале длин волн, пс/нм²×км, не более	0,101	0,097	0,092	0,092	0,05	-
Длина волны отсечки (в кабеле), нм, не более	-	-	1270	1270	1470	1450
Коэффициент поляризационной модовой дисперсии на длине волны 1550 нм, пс/км, не более	-	-	0,2	0,2	0,2	0,1
Прирост затухания из-за макроизгибов (100 витков × Ø 6О мм), дБ: λ = 1550 нм/1625 нм			0,5	0,5	0,5	0,5

Где купить?

Купить многомодовый и одномодовый оптический кабель (цена и условия поставки уточняются отдельно, в зависимости от конкретных особенностей продукции и пожеланий заказчика) можно прямо на нашем сайте. Для этого просим заполнить соответствующую форму в on-line заказ . В наличии постоянно имеется кабель оптический многомодовый 4 волокна, одномодовый самонесущий оптический кабель, оптический кабель одномодовый 4 волокна и 8 волокон, и другие виды ОК (см. Каталог).

По согласованию заказчика и изготовителя допускается поставка кабеля с параметрами, отличающимися от приведенных в таблице.

Оптоволоконные кабели имеют схожую структуру, но могут отличаться по различным характеристикам. По количеству модулей, волокон, толщине, материалу внешней оболочки и т.д. Оптические кабели бывают одномодовыми и многомодовыми. Кабель оптический одномодовый предназначен для передачи одного луча света, а многомодовый – нескольких лучей. Как правило, кабель оптический одномодовый предназначен для использования в телекоммуникационных сетях, для создания магистралей по передачи данных на большие расстояния.

В тоже время, многомодовые используются в сетях средней и малой дальности. имеет отличающуюся от многомодового структуру. В последнее время говорится о том, что многомодовые оптоволоконные кабели имеют преимущество перед одномодовыми, это по сути дела так, потому что они более чем в стократ превосходят одномодовые по производительности. Но, не смотря на все это, на дальние расстояния все же предпочтительней использовать одномодовые оптические кабели, потому что они давно и хорошо зарекомендовали себя в этой области.

Назначение кабеля оптического одномодового

Современный кабель оптический одномодовый является разновидностью оптоволоконного кабеля и предназначается для передачи одного пучка света (посредством многомодового передаются несколько пучков одновременно) при использовании в составе телекоммуникационных сетей и при организации магистралей, передающих данные на значительные расстояния.

Существующие ныне оптоволоконные кабели при схожести структуры различаются своими характеристиками, зависящими от количества модулей, толщины, числа волокон, материала внешней оболочки и проч. Кабель оптический одномодовый, в отличие от многомодового, при передаче сигнала по определению лишен межмодовой дисперсии, возникающей в результате разновременности достижения противоположного конца кабеля вводимыми в волокно одновременно разными модами. Одной из важных характеристик кабеля является также СКС-диаметр его сердцевины, для одномодового это, как правило, 8-10 мкм.

Путем практических исследований различных оптических кабелей специалисты определили, что при расстояниях, превышающих между объектами 500 метров, стоит отдать предпочтение одномодовым, обеспечивающим высокую и надежную скорость передачи на большой дальности при строительстве крупномасштабных сетей. Многомодовый кабель показывал результаты пониже.

Особенности кабеля оптического одномодового

Свое наименование кабель оптический одномодовый получил из-за того, что в процессе работы в оптоволокне образуется небольшое число мод, поэтому принято условно считать, что свет при этом распространяется по единственной траектории, следовательно, такое волокно и назвали одномодовым. А так, современное оптоволокно может нести в себе более двух сотен параллельных волокон, при этом, как правило, имеется возможность комбинировать сочетания в одном кабеле волокон, относящихся к разным типам.

Конструктивно оптоволоконный кабель состоит из единственной или же нескольких оптических волокон, являющихся, по сути, стеклянными нитями. Соответственно, передача информации производится переносом света внутри оптоволокна. Используется при этом процесс, называемый полным внутренним отражением. Принцип работы базируется на том, что световые волны отражаются от границы, разделяющей две прозрачные среды с различными показателями преломления.

Чаще всего кабель оптический одномодовый применяется для организации волоконно-оптических систем связи, прокладываемым по тоннелям, коллекторам и внутри зданий и помещений. Наружная оболочка его выполняется, как правило, из материалов, не поддерживающих и не распространяющих горение.

Преимущества кабеля оптического одномодового

Современный кабель оптический одномодовый характеризуется существенными преимуществами перед используемыми ранее медными проводниками. К ним безусловно относятся:

• значительно большая полоса пропускания,
• повышенная степень помехозащищенности (в частности, в области невосприимчивости к электромагнитным помехам и наводкам),
• относительно малые объем и вес,
• световой сигнал с малым затуханием,
• гальваническая развязка вновь подключаемого оборудования,
• надежная защита от несанкционированных подключений, что дополнительно защищает передаваемую информацию и проч.

Среди основных параметров оптоволоконных кабелей выделяют длину волны, размер волокон, диапазон минимальной полосы пропускания, максимальное затухание и ряд других. Кабель оптический одномодовый позволяет транслировать данные на скоростях до сотен Гбит/с при снижении стоимости материалов и технологий.