Характеристики и протоколы передачи по оптическому волокну

Большинство технических специалистов, работающих с оптоволокном, знают об отличии многомодовых волокон от одномодовых. Но не все информированы о характеристиках оптических волокон и о протоколах передачи информации по ним. В статье приведены описания конкретных характеристик оптоволокон и протоколов передачи Ethernet, вызывающих, иногда, противоречивые толкования.

Характеристики оптических волокон

Пожалуй, не найдется специалиста-кабельщика, работающего с оптическим волокном, который не знал бы отличие многомодовых волокон от одномодовых. Мы не собираемся повторять прописные истины в данной статье. Остановимся на конкретных характеристиках оптоволокон, вызывающих, подчас, противоречивое толкование.

Оптические волокна допускают распространение сигналов передачи данных вдоль них при условии, что световой сигнал вводится в волокно под углом, обеспечивающим полное внутреннее отражение на границе раздела двух сред из двух типов стекла, имеющего различные показатели преломления. В центре сердцевины находится особо чистое стекло с показателем преломления 1.5. Диаметр сердцевины находится в пределах от 8 до 62,5 мкм. Окружающее ядро стекло, называемое оптической оболочкой, немного менее свободное от примесей, имеет показатель преломления 1.45. Общий диаметр сердцевины и оболочки находится в пределах от 125 до 440 мкм. Поверх оптической оболочки наносят полимерные покрытия, укрепляющие волокно, защитные нити и внешнюю оболочку.

При вводе оптического излучения в волокно, луч света, падающий на его торец под углом больше критического, будет распространяться вдоль границы раздела двух сред в волокне. Каждый раз, когда излучение попадает на границу между ядром и оболочкой, оно отражается обратно в волокно. Угол ввода оптического излучения в волокно определяется максимально допустимым углом ввода, называемым числовой апертурой или апертурой волокна. Если вращать этот угол вдоль оси сердцевины, формируется конус. Любой луч оптического излучения, падающий на торец волокна в пределах этого конуса, будет передан дальше по волокну.

Находясь внутри сердцевины, оптическое излучение многократно отражаетсяот границы раздела двух прозрачных сред, имеющих различные показатели преломления. Если физические размеры сердцевины оптического волокна существенные, отдельные лучи света будут введены в волокно и, в последующем, претерпевают отражение под разными углами. Поскольку ввод лучей оптической энергии в волокно был осуществлен под разными углами, то и расстояния, которые они проходят, будут также различными. В результате, они достигают приемного участка волокна в разное время. Импульсный оптический сигнал, прошедший по волокну будет расширен, по сравнению с тем, который был отправлен, следовательно, ухудшается и качество переданного по оптоволокну сигнала. Это явление получило название модовой дисперсии (DMD).

Другой эффект, который тоже вызывает ухудшение передаваемого сигнала, получил название хроматической дисперсии. Хроматическая дисперсия обусловлена тем, что световые лучи разных длин волн распространяютсявдоль оптического волокна с различной скоростью. При передаче серии световых импульсов через оптоволокно, модовая и хроматическая дисперсии, в конечном итоге, могут вызвать слияние серии в один длинный импульс, возникновению интерференции бит сигнала и потере передаваемых данных.

Еще одной типичной характеристикой оптического волокна является затухание. Стекло, используемой для изготовления сердцевины оптического волокна (ОВ), является очень чистым, но, все же, не идеально. В результате, свет может поглощаться материалом стекла в оптоволокне. Другими потерями оптического сигнала в волокне могут быть рассеяние и потери, а также затухание от плохих оптических соединений. Потери при соединении оптоволокон могут быть вызваны смещением сердцевин волокна или его торцевых поверхностей, которые не были отполированы и очищеныдолжным образом.

Сетевые протоколы для оптической передачи Ethernet

Перечислим основные протоколы передачи Ethernet по многомодовым и одномодовым оптическим волокнам.

10BASE-FL — 10 Мбит/с передача Ethernet по многомодовому оптоволокну.

100BASE-SX — 100 Мбит/с передача Ethernet по многомодовому ОВ на длине волны850-nm. Максимальное расстояние передачи до 300 м. Большие расстояния передачи возможны при использовании одномодового ОВ. Обратно совместимый с 10BASE-FL.

100BASE-FX — 100 Мбит/с передача Ethernet (Fast Ethernet) по многомодовому ОВ на длине волны 1300-nm. Максимальное расстояние передачи составляет до 400 м для полудуплексных соединений (с обнаружением коллизий) или до 2 км для полнодуплексной связи. Большие расстояния возможны с применением одномодового ОВ. Не обратно совместим с протоколом 10BASE-FL.

100BASE-BX — 100 Мбит/с передача Ethernet по одномодовому ОВ. В отличие от протокола 100BASE-FX, в котором используются два оптоволокна, 100BASE-BX работает по одному волокну с технологией WDM (Wavelength-Division Multiplexing), которая позволяет разделить длины волн сигнала на приеме и передаче. Для передачи и приема используются две длины волны из возможных: 1310 и 1550 nm или 1310 и 1490 nm. Расстояние передачи до 10, 20, или 40 км.

1000BASE-SX

— 1 Гбит/с передача Ethernet (Gigabit Ethernet) по многомодовому ОВ на длине волны 850-nm и на максимальное расстояние до 550 м, в зависимости от используемого класса ОВ.

1000BASE-LX — 1 Гбит/с передача Ethernet (GigabitEthernet) по многомодовому ОВ на длине волны 1300-nm на максимальное расстояние до 550 м. Протокол оптимизирован для передачи на большие расстояния (до 10 км) по одномодовому ОВ.

1000BASE-LH— — 1 Гбит/с передача Ethernet по одномодовому ОВ на максимальное расстояние до 100 км.

10GBASE-SR — 10 Гбит/с передача Ethernet (10 GigabitEthernet) по многомодовому ОВ на длине волны over 850-nm. Расстояние передачи может быть 26 м или 82 м, в зависимости от типа применяемого ОВ с сердцевиной 50- или 62.5 мкм. Поддержка передачи на расстояние 300 м по многомодовому ОВ класса ОМ3 и выше, с коэффициентом широкополосности не менее 2000 MГц/км.

10GBASE-LX4 — 10 Гбит/с передача Ethernetпо многомодовому ОВ на длине волны 1300-nm. Использует технологию WDM для передачи на расстояния до 300 м по многомодовым волокнам. Поддержка передачи по одномодовому ОВ на расстояния до 10 км.

В заключение статьи, приведем некоторые данные по используемым типам многомодовых оптических волокон и стандартам передачи. Данные сведены в табл.1 (выдержки из Стандартов).

Международный Стандарт: ISO/IEC 11801 “GenericCablingforCustomerPremises”

МеждународныйСтандарт: IEC 60793-2-10 “Product Specifications — Sectional Specification for Category A1 Multimode Fibers”

Стандарт ANSI/TIA/EIA-492-AAAx “Detail Specification for Class 1a Graded-Index Multimode Optical Fibers”

(1) класс OM1 многомодовое ОВ с сердцевиной 62.5-мкм или 50-мкм.

(2) класс OM2 многомодовое ОВ с сердцевиной 50-мкм или 62.5-мкм.

(3) класс OM4 ратифицирован IEEE в июне 2010 и является Стандартом 802.ba для 40G/100G Ethernet. Работает на расстояниях до 1000 м по 1 Гбит/с Ethernet, 550 м по 10 Гбит/с Ethernet и 150 м по 40 ГБит/с и 100 ГБит/с сетевым протоколам Ethernet.

(4) Международный Стандарт ISO/IEC 11801 определяет максимальное значение затухания ОВ. Стандарты IEC и TIA описывают(минимальное) или среднее затухание «голого» ОВ.

Источник: Евгений Запорощенко, к.т.н., доцент, главный технический специалист ООО «Сонет Инвест»

1. Общие сведения о волоконно-оптической связи. Оптические линии связи и пассивные компоненты ВОСП

1.1. История развития волоконной оптики

1.2. Структура волоконно-оптической системы передачи

1.3. Производство оптических кабелей в России и за рубежом

1.4. Преимущества и недостатки использования оптических волокон в системах связи

1.1. История развития волоконной оптики

История передачи информации с помощью луча света уходит в глубь веков. Наиболее близкие к нам изобретения относятся к 90-м годам XVIII века: И.П. Кулибин (в России) и К. Шапп (во Франции) независимо друг от друга изобрели оптический телеграф, а в 1880 году Александр Грехем Белл установил телефонную связь между крышами двух домов в Вашингтоне, используя сфокусированный солнечный луч. Эти системы использовали передачу света через атмосферу [5].

Первые световоды появились в России в 70-е годы XIX века (1874-76). Русский электротехник В.Н. Чиколев использовал полые, зеркальные внутри, металлические трубы для освещения одной дуговой лампой нескольких помещений, в том числе и пороховых погребов, где использование таких ламп было взрывоопасным. Однако мысль о передаче информации с помощью луча света, распространяющегося по световоду, пришла к ученым почти через 100 лет (в 60-е годы ХХ века).

В период с 1953 по 1959 год работами Ван Хиила, Капани и Хирошавица был заложен основной принцип волоконной оптики – принцип передачи света по двухслойному диэлектрическому световоду. Все современные световоды, используемые как для связи, так и для других применений, построены на основе этого принципа.

В эти же годы (1954) Н.Г. Басов и А.М. Прохоров (в России) и независимо от них Ч.Таунс (в США) сделали величайшее открытие века: создали источник микроволнового когерентного излучения – газовый квантовый генератор, названным мазером, а в 1959 году Н.Г. Басов с сотрудниками предложил использовать полупроводниковые материалы для создания твердотельных световых квантовых генераторов, названых лазерами. Слово «лазер» составлено из первых букв фразы

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света с помощью индуцированного излучения.

В 1965-66 годах британская телефонная компания STL выдвинула идею использования стеклянного волокна для оптической связи. Это было реально при  условии очистки стекла до уровня, обеспечивающего потери в 20 дБ/км. Указанная идея была опубликована К.Ч. Као и Дж.А. Хоклхемом в журнале «IEEE Proceedings» в 1966 году.

С 1966 года ряд зарубежных фирм, таких как Bell Laboratories  и Corning Glass Works (в США), Nippon Electric и Nippon Sheet Glass (в Японии), AEG-Telefunken и Siemens und Halske (в Германии), занялись вопросами очистки стекла и разработкой технологии получения оптических волокон для линий дальней связи. Эти работы на Западе шли параллельно с исследованием и других сред для передачи оптического излучения.

В 1956 году впервые в мире О.Ф. Косминский (в России, Ленинград) предложил использовать оптический диапазон длин волн для передачи больших объемов информации по искусственным оптическим линиям передачи. В 1957-58 годах он и В.Н. Кузьмичев обосновали общую схему световодной системы связи, основные принципы построения оптических многоканальных систем связи, основные типы световодов.

В 1965 году группой специалистов ЦНИИС во главе с А.Г. Мурадяном была создана 12 канальная оптическая линия связи между двумя АТС в Москве с использованием ИКМ. В 1966 году этими же специалистами была реализована экспериментальная лазерная линия связи емкостью 240 каналов, сформированная по методу ИКМ, между двумя АТС в Москве. Работы в этом же направлении проводились в те годы и на Западе. Например, компания «Bell Telephone» провела испытания лазера в системе связи с ИКМ.

В 1970 году впервые в мире были получены потери в оптическом волокне менее 20 дБ/км. В этом же году в Ленинграде Ж.И. Алферов создал полупроводниковый лазер на основе двойной гетероструктуры. Эти структуры оказались наиболее перспективными (среди других полупроводниковых материалов) для источников и приемников излучения и используются до сих пор в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) [5].

Первые публикации о разработке отечественных стеклянных волоконных световодов, предназначенных для передачи информации, появились в 1975 году (Е.М. Дианов, ФИАН, и Г.Г. Девятых с сотрудниками, ИХАН). Первые световоды имели диаметр сердцевины 35 мкм и внешний диаметр 130 мкм, их длина составляла 100-130 м. Минимальные потери до 10 дБ/км были получены в диапазоне длин волн 0,7-0,9 мкм в световоде со ступенчатым профилем показателя преломления. В 1976 году в ФИАНЕ была опробована ВОЛС для связи блоков ЭВМ длиной 350 м на основе созданных световодов [5].

В конце 70-х годов Минэлектронпромом были специально разработаны для ВОЛС полупроводниковые излучающие диоды, суперлюминисцентные и лазерные диоды. Эти излучатели были оптимизированы на длину волны излучения 0,8-0,9 мкм. Диапазон вводимых в волокно мощностей составлял от 50 мкВт до 1,5 мВт. Разрабатывались цифровые передающие модули.

Разработчиком ПП фотоприемников, по сложившейся специализации министерств, был Миноборонпром СССР.  К 1981 году в НИИ прикладной физики (НИИПФ) был разработан и получил высокую оценку pin-фотодиод «Нитка-Ф». Для линий дальней связи разрабатывался лавинный фотодиод, имевший высокую чувствительность в диапазоне 0,5-1,6 мкм и очень высокое быстродействие – более 1 ГГц. Разработкой многослойных эпитаксиальных структур на основе твердых растворов GaAlAsSb и InGaAsP для фотоприемников и излучателей занимался «Гиредмет» Минцветмета.

Разработку приемных и передающих модулей для ВОЛС под свои задачи проводили предприятия отраслевых министерств. Это были в основном бортовые модули на основе световодов и pin-фотодиодов диапазона 0,8-0,9 мкм. Среди этих работ следует отметить комплекты модулей НИИ автоматики Минпромсвязи, микросборки МНИИП Минрадиопрома, НИИ «Агат» Минсудпрома, ЛИИ Минавиапрома [5].

Работы по созданию ОВ для ВОЛС проводили институты АН СССР и ряд институтов отраслевых министерств (Минэлектронпром, Минхимпром, Минстройматериалов, Минэлектротехпром).

На выставке «ВОЛС-3» было представлено ОВ в основном типа «кварц-полимер», работающее на длине волны 0,85 мкм, имеющее диаметр сердцевины 200-400 мкм для передачи излучения светодиодов и с диаметром сердцевины 50-60 мкм для передачи излучения лазерных диодов, с затуханием порядка 10-30 дБ/км. Такое волокно было продемонстрировано НИИЭС и ВНИИКП. Результаты НИР по созданию «ступенчатого» и «градиентного» волокна на длину волны 1,3 мкм показал НИИ кварцевого стекла МПСМ. Для градиентного волокна с диаметрами сердцевина/оболочка 60/150 мкм была достигнута широкополосность 200 Мгц/км и затухание 5дБ/км.

Разработкой ОК различного назначения и соответственно различных конструкций занимались в основном ВНИИКП и ОКБКП Минэлектротехпрома были попытки разработки кабелей на основе волокна собственного производства и у других предприятий. Во ВНИИКП были разработаны конструкции кабеля с количеством волокон 1,2,4,8 на основе волокон «кварц-полимер» и «кварц-кварц» с затуханием от 10 до 30 дБ/км и наружным диаметром от 2,5 мм до 12 мм.

ОКБКП разработал и выпускал по ТУ 1979 года кабель КВСП-50 на основе волокна «кварц-полимер» со ступенчатым профилем показателя преломления, затуханием 20-40 дБ/км и широкополосностью 40 МГц/км, кроме того, был разработан внутриобъектовый ОК с затуханием менее 30 дБ/км.

К началу 80-х годов на имеющихся экспериментальных и опытных образцах компонентов были созданы, опробованы и получены результаты НИР по созданию ВОЛС различного назначения. В частности, были разработаны бортовые ВОЛС для подвижных объектов: самолетов, кораблей, танков и др. Эти линии имели небольшую длину, использовали преимущественно волокно с диаметром сердцевины 200-400 мкм, световоды и pin-фотодиоды диапазона 0,85 мкм. Главным преимуществом ВОЛС перед традиционными системами связи на борту была их невосприимчивость к электромагнитным полям.

В мае1981 года было принято Постановление ЦК КПСС и СМ СССР «О разработке и внедрении световодных систем связи и передачи информации». С его выходом было положено начало организации широкомасштабных работ в области ВОЛС. Оно поставило перед предприятиями заинтересованных министерств задачи по созданию ОВ и кабеля, оптоэлектронной элементной базы, контрольно-измерительной аппаратуры, специального технологического оборудования, оптических соединителей и других компонентов. Конечной целью являлись ВОЛС для передачи различной информации: от телефонных разговоров до цифровых широкополосных сигналов в системах специального назначения.

Развитие задач, поставленных в 1981 году, было закреплено Постановлениями СМ СССР 1985-86 годов. В соответствии с ними и решениями ВПК  конкретизировались отдельные направления работ. Например, осваивался диапазон длин волн 1,55 мкм; повышались требования к быстродействию, энергетическим характеристикам, надежности оптоэлектронных компонентов; повышались требования к качеству ОВ – его стойкости к низким температурам, долговечности, вносимому затуханию, дисперсии [5].

Ведущая роль в разработке отечественного ОВ принадлежит АН СССР и в первую очередь ФИАН, из которого в середине 80-х годов выделился ИОФАН под руководством А.М.Прохорова. Этот институт далее и занимался ОВ. Кроме того, разработкой технологии ОВ занимался Институт химии – ИХАН и Институт радиотехники и электроники – ИРЭАН СССР.

Под руководством Е.М.Дианова в ФИАН в 80-е годы в содружестве с ИХАН, где работами руководил Г.Г.Девятых широко развернулись работы по созданию технологии ОМ-волокна и, кроме, продолжались ранее начатые работы по усовершенствованию технологии градиентных ММ-волокон. Направления работ по волокну определяли требования к оптическому кабелю, основными из них были:

• уменьшение и достижение предельно низких, близких к теоретическому минимуму, потерь в волокне;
• увеличение ширины полосы пропускания или сведения к минимуму дисперсии;
• увеличение прочности волокна;
• снижение потерь, возникающих при использовании ОВ при отрицательных температурах;
• повышение радиационной стойкости волокна.

Для одномодовых волокон, полученных методом химического осаждения из газовой фазы на внутреннюю поверхность опорной трубки, к 1988 году были достигнуты потери, близкие к теоретическому пределу; на длине волны 1,3 мкм – 0,36 дБ/км и на длине волны 1,55 мкм – 0,21 дБ/км.

К концу 80-х годов в стране была частично создана, а на 90% закуплена за рубежом технологическая база для выпуска ОВ. Разработки ведущих НИИ, а особенно АН СССР, отличались высокими характеристиками и неплохим качеством, но получить промышленное волокно с такими же характеристиками не удалось.

Отечественное промышленное волокно серьезно уступало зарубежному по прочности и стабильности характеристик при эксплуатации. Причина тому видится в изначальном распылении средств на разработку и промышленный выпуск между предприятиями многих министерств. Одного только оборудования было закуплено не менее чем для 10 институтов и стольких же заводов. Низкое качество отечественного волокна вынудило Минсвязи сделать ставку на импортное волокно при производстве отечественных ОК, так как это было экономически целесообразнее при прокладке ВОЛС, которые в то время начали широко внедряться. Учитывая, что Министерство связи является самым мощным по объемам потребителем ОК, производство отечественного ОВ в начале 90-х годов было практически остановлено[5].

Ответственным за разработку оптических кабелей (ОК) в едином технологическом цикле с ОВ Постановлением 1981 года было назначено Министерство электротехнической промышленности (МЭТП), головным предприятием отрасли по выпуску ОК был назначен Всероссийский научно-исследовательский институт кабельной продукции (ВНИИКП). Kроме ВНИИКП в МЭТП разработкой и выпуском ОК занималось отраслевое конструкторское бюро кабельной продукции (ОКБКП) в Мытищах, которое также как и ВНИИКП к 1981 году уже имело опыт работы с ОК и выпускало серийные марки такого кабеля.

Между ВНИИКП и ОКБКП с выходом Постановления установилось разграничение тематики: ВНИИКП в основном разрабатывал ОК для городских, зоновых и магистральных линий связи, их главным заказчиком было Минсвязи СССР. ОКБКП разрабатывал внутриобъектовые и бортовые кабели. Оба этих предприятия имели опытное производство на своих территориях и, кроме того, промышленный выпуск ОК осваивал опытный завод ВНИИКП в Подольске, завод «Электропровод» в Москве, завод «Севкабель» в С.-Петербурге, завод «Ташкенткабель», завод «Одессакабель» и некоторые другие [5].

Первым ОК для городских линий связи, освоенным в серийном производстве на ОЗ ВНИИКП в 1985-86 годах был ОК-50 («Каштан»). Oн имел 4-8 волокон «кварц-полимер», работал на длине волны 0,85 мкм, вносил затухание 3-5 дБ/км, имел широкополосность 250-500 Мгц/км.

Следующей серийной разработкой ВНИИКП в 1987 году был кабель ОЗКГ-1 («Калибр») для зоновых линий связи первого поколения. Кабель использовал градиентные волокна на длине волны 1,3 мкм, имел затухание 0,7-1,5 дБ/км, кроме 4 (8) волокон предусматривались 4 медные жилы для дистанционного питания линейного оборудования. Конструктивно кабель содержал центральный профильный элемент и свободно располагающиеся в пазах сердечника волокна. Укладка ОВ осуществлялась одновременно с закруткой профилированного сердечника и введением гидрофобного заполнения. Выполненный по этой технологии кабель поставлялся на линию Ленинград-Сосновый бор.

Последующие разработки ВНИИКП на основе ОМ-волокон могли использоваться как для зоновых так и для магистральных линий. Таким был кабель ОМЗКГ-10 («Калибр-4»), освоенный в серийном производстве в 1988 году. ОМ-волокно работало на длине волны 1,3 мкм, имело затухание не более 0,7 дБ/км, дисперсию до 3,5 пс/нм×км. Кабель предназначался для прокладки в грунты любых категорий и в воде при пересечении болот и рек. Такой кабель поставлялся с 1989 года на строительство линии Ленинград – Минск.

К концу 1990 г. было разработано второе поколении ОК: городские с ОМ- и ММ-волокнами на длине волны 1,3 мкм с затуханием до 0,7 дБ/км и кабели дальней связи на длине волны 1,55 мкм с затуханием до 0,3 дБ/км (марки ОКЛ). Кабели ОКЛ были поставлены в 1990 году на строительство линии Минск – Смолевичи.

К настоящему времени оптическое волокно оказалось той средой передачи, которая смогла справиться с огромными потоками информации, представленными на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Рост скорости передачи в сетях за последние десятилетия

Практическая реализация сверхскоростных ВОЛС и систем на их основе связана с решением целого ряда научных и инженерно-технических проблем. Среди них особое место занимает освоение технологии волнового уплотнения (DWDM) и солитонной оптической связи.

1.2. Структура волоконно-оптической системы передачи

По существу, ВОСП содержат функциональные узлы, присущие любым радиотехническим системам связи. Более того, при формировании сигналов, в принципе, возможно использование тех же разнообразных способов кодирования и видов модуляции, которые известны в радиотехническом диапазоне. Однако ряд особенностей оптического диапазона и используемого в нем элементного базиса накладывают свои ограничения на реализационные возможности ВОСП или приводят к техническим решениям, отличным от традиционных в технике связи.

Волоконно-оптической системой передачи называется совокупность активных и пассивных устройств, предназначаемых для передачи информации на расстояние по оптическим волокнам (ОВ) с помощью оптических волн и сигналов. Другими словами, ВОСП – это совокупность оптических устройств и оптических линий передачи для создания, обработки и передачи оптических сигналов. При этом оптическим сигналом служит модулированное оптическое излучение лазера или светодиода.

Рисунок 1.2 – Структурная схема волоконно-оптической системы передач

На рисунке 1.2 представлены основные компоненты такой системы.

Передатчик преобразует электрические сигналы в световые. Данное преобразование выполняет источник, представляющий собой либо светоизлучающий, либо лазерный диод. Электронная схема управления преобразует входной сигнал в сигнал определенной формы, необходимой для управления источником.

Волоконно-оптический кабель – среда, по которой распространяется световой сигнал. Кабель состоит из  оптического волокна и защитных оболочек.

Приемник предназначен для приема светового сигнала и его обратного преобразования в электрические сигналы. Его основными частями являются оптический детектор, непосредственно выполняющий функцию преобразования сигнала.

Соединители (коннекторы) предназначены для подключения волокна к источнику, оптическому детектору и для соединения волокон между собой.

В настоящее время при организации связи по волоконно-оптическим линиям связи  предпочтение отдается цифровым системам передачи (ЦСП) с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), что обусловлено помимо общих преимуществ ЦСП по сравнению с аналоговыми системами передачи (АСП) особенностью работы и построения ВОСП. Это связано  с высоким уровнем шумов фотодиодов, которые используются в качестве приемников оптического излучения. Для получения необходимого качества передачи информации с помощью АСП требуются специальные методы приема и обработки аналоговых оптических сигналов. ЦСП обеспечивает требуемое качество передачи информации при отношении сигнал-помеха на 30…40 дБм меньше, чем АСП. Поэтому реализация ВОСП с использованием ЦСП намного проще по сравнению с АСП.

В ВОСП используется приграничный к инфракрасному диапазон длин волн от 800 до 1600 нм, при этом предпочтительными являются длины волн 850, 1300 и  1550 нм.

1.3. Производство оптических кабелей в России и за рубежом

Рисунок 1.3 – Динамика роста продаж волоконно-оптических кабелей (тыс.км)

Анализируя состояние и развитие телекоммуникаций в мире, можно отметить устойчивый рост объемов прокладки волоконно-оптического кабеля (ВОК) в мире, ввод в эксплуатацию новых и усовершенствование существующих волоконно-оптических систем и, как следствие, рост объемов производства и продаж ВОК.

Динамика роста продаж ВОК представлена на рисунке 1.3.

Доля различных типов ВОК в мировой торговле приведена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 – Доля различных типов ВОК в мировой торговле

В таблице 1.1 представлены данные по фактическому производству оптических волокон в России.

Таблица 1.1 – Объемы производства оптических волокон в России

Год	1996	1997	1998	1999	2000	2001
Объем выпуска, тыс.км	80	140	200	360	430	450

Стабильный рост производства оптических кабелей в России, при общем спаде производства кабелей связи, подтверждает мировые тенденции. Однако общий объем российского производства и рынка ничтожно мал в сравнении с мировыми показателями. В таблице 1.2 представлены объемы импорта оптических кабелей в России в тыс. долларов США.

Таблица 1.2 – Объемы импорта оптических кабелей в Россию

Год	1997	1998	1999
Объем импорта в тыс. $	50097	65580	24400

Несмотря на решение «Ростелекома» использовать для прокладки только отечественные оптические кабели, другие потребители – «Газтелеком», РАО ЕЭС предпочитают использовать импортные оптические кабели.

По прогнозам ВНИИКП предполагается, что с 2004 года потребление волоконно-оптических кабелей должно быть не менее 1400 тыс. км./год в одноволоконном исчислении.

В таблице П.1 Приложения 1 приведены основные российские производители оптических кабелей, обеспечивающие до 80% выпуска.

1.4. Преимущества и недостатки использования оптических волокон в системах связи

Волоконно-оптические коммуникации имеют ряд преимуществ по сравнению с электронными системами, использующими передающие среды на металлической основе. Среди них можно указать следующие.

Широкая полоса пропускания – обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей – около 10¹⁴ Гц, которая обеспечивает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания – одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или другой средой передачи информации.

Малое затухание оптического сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественное и зарубежное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью более 100 км.

Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания за счет использования различных способов модуляции сигналов при малой избыточности их кодирования.

Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, то оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередач, электродвигательные установки и т.д.).

Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность.

Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучают в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи.

Гальваническая развязка. Это преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве.

Взрыво-пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сетей связи на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

Экономичность. Волокно изготовляется из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенная в природе и является, в отличие от меди, недорогим материалом. В настоящее время стоимость оптического волокна и медной пары соотносятся как 2:5.

Длительный срок эксплуатации. В настоящее время срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений стандартов приемо-передающих систем.

Возможность подачи электропитания. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля и используется только для передачи информационных сигналов. Однако в некоторых случаях требуется подать электропитание на узел информационной волоконно-оптической сети. В этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медными проводниками. Такие кабели нашли широкое применение как у нас в стране, так и за рубежом.

Указанные выше достоинства оптического волокна как среды для передачи информационных сигналов позволяет сформулировать следующие преимущества волоконно-оптических систем связи.

В волоконно-оптических системах связи передаваемые сигналы не искажаются ни одной из форм внешних электронных, электромагнитных или радиочастотных помех.

Волоконно-оптическая связь более предпочтительна перед другими видами связи, когда одним из основных требований является безопасность ее работы в детонирующих, воспламеняющихся или электронебезопасных средах и условиях.

Волоконно-оптические системы связи идеально подходят для передачи данных в цифровых вычислительных системах, цифровой телефонии и видеовещательных системах, которые требуют использования новых физических явлений и принципов для развития и улучшения характеристик  систем передачи.

Волоконно-оптические системы имеют также и недостатки, к которым в основном относятся дороговизна прецизионного монтажного оборудования, относительно высокая стоимость лазерных источников излучения и требования специальной защиты волокна. Однако преимущества от применения волоконно-оптических линий связи настолько значительны, что несмотря на перечисленные недостатки дальнейшие перспективы развития технологий ВОЛС в информационных сетях более чем очевидны.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте основные этапы развития волоконной оптики.

2. Из первых букв какой фразы составлено слово «Лазер»?

3. Каковы темпы роста скорости передачи в сетях за последние десятилетия?

4. Как называется частица света?

5. Из каких основных компонентов состоит волоконно-оптическая система передачи?

6. Какие длины волн используются в волоконно-оптических системах передачи?

7. В чем заключаются преимущества и недостатки использования оптических волокон в системах связи?

8. Какая динамика роста продаж волоконно-оптических кабелей?

9. Какая доля различных типов волоконно-оптических кабелей в мировой торговле?

10. Какие объемы производства оптических кабелей в России?

11. Перечислите основные российские предприятия, обеспечивающие порядка 80% выпуска оптических кабелей.

Классификация типов волокна Стандарт G.65X согласно рекомендациям МСЭ-Т

09 ноября 2010 года Оптический кабель

Стандарт G.650

Стандарт G.650 дает общие определения типов волокон, перечень основных характеристик и параметров одномодовых волокон, а также методов измерения и контроля этих параметров.

Стандарт G.651

Стандарт G.651 распространяется на многомодовое оптическое волокно с диаметром световедущей жилы 50 мкм и оболочки 125 мкм и на ВОК на его основе. В нем содержатся рекомендации по основным параметрам этих волокон, контролируемым характеристикам и допустимым нормам. Этот тип волокна в настоящее время используется только в коротких, внутриобъектовых ВОЛС с рабочей длиной волны 0,85 и редко 1,31 мкм.

Рекомендации ITU-T G.651.1 — Характеристики многомодовых градиентных волоконно-оптических кабелей 50/125 мкм.

Характеристика оптоволокна
Признак	Детали	Значение
Диаметр оболочки	Номинал	125 мм
	Допуск	±2 мм
Диаметр сердцевины	Номинал	50 мм
	Допуск	±3 мм
Эксцентриситет сердцевины	Максимум	6% (3 мм)
Сплющенность оболочки	Максимум	2%
Числовая апертура	Номинал	0.20
	Допуск	±0.015
Потери на макроизгибе**	Радиус	15 мм
	Число оборотов	2
	Максимум на 850 нм	1 dB
	Максимум на 1300 нм	1 dB
Проверочное напряжение	Минимум	0.69 ГПа
Длина волны нулевой дисперсии	Минимум на 850 нм	500 МГц·kм
	Минимум на 1300 нм	500 МГц·kм
Коэффициент хроматической дисперсии	λ 0min	1295 нм
	λ 0max	1340 нм
	S0max для 1295 ≤ λ 0 ≤ 1310 нм	≤ 0.105 пс/нм 2 &×км
	S0max для 1310 ≤ λ 0 ≤ 1340 нм	≤ 375 × (1590 – λ0) × 10 –6пс/нм 2 ×км
Характеристика кабеля
Признак	Детали	Значение
Коэффициент затухания	Максимум на 850 нм	3.5 дБ/kм
	Максимум на 1300 нм	1.0 дБ/kм
** – При использовании многомодового волокна вне области этой Рекомендации потери на макроизгибе могут определены в [IEC 60793-2-10] ** – Чтобы проверить потери на макроизгибе используйте [IEC 61280-4-1]. *** – Наихудший коэффициент затухания на 850 нм (S 0 = 0.09375 пс/нм 2 ×км при λ 0 = 1340 нм S0 = 0.10125 пс/нм 2 ×км at λ 0 = 1320 нм) –104 пс/нм×км

Стандарт G.652

Оптическое волокно одномодового типа известно под стандартом G.652. Последний был разработан для диапазона длин волн 1,31 мкм. При таком показателе волокно G.652 имеет нулевую хроматическую дисперсию и затухает с минимальным значением. У волокна G.652 диаметр самой жилы равен около 9 мкм, а оболочки – 125±2 мкм.

Оптическое волокно G.652 отличается высокой надежностью и обеспечивает передачу данных на скорости до 10 Гбит/с. Часто такие линии связи применяются для одноволновой и многоволновой передачи, когда расстояние между двумя точками составляет в среднем 50 километров.

Применение оптоволокна G.652 в линиях связи, где необходима передача данных на скорости выше 10 Гбит/с, требует наличия более сложной аппаратуры, а, следовательно, и больших финансовых затрат.

Характеристика	G.652.A	G.652.B	G.652.C	G.652.D
Длина волны, нм	1310	1310	1310	1310
Диаметр модового пятна, мкм	8,6–9,5±0,6	8,6–9,5±0,6	8,6–9,5±0,6	8,6–9,5±0,6
Диаметр оболочки, мкм	125,0±1	125,0±1	125,0±1	125,0±1
Диаметр защитного покрытия, мкм	250,0±15	250,0±15	250,0±15	250,0±15
Эксцентриситет сердцевины, мкм	0,6 максимум	0,6 максимум	0,6 максимум	0,6 максимум
Сплющенность оболочки	1,0% максимум	1,0% максимум	1,0% максимум	1,0% максимум
Длина волны отсечки кабеля, нм	1260 максимум	1260 максимум	1260 максимум	1260 максимум
Потери на макроизгибе, дБ	0,1 максимум на 1550 нм	0,1 максимум на 1550 нм	0,1 максимум на 1550 нм	0,1 максимум на 1550 нм
Проверочное напряжение, ГПа	0,69 минимум	0,69 минимум	0,69 минимум	0,69 минимум
Длина волны нулевой дисперсии, нм	от 1300 до 1324	от 1300 до 1324	от 1300 до 1324	от 1300 до 1324
Коэффициент хроматической дисперсии, пс/нм*км, не более, в интервале длин волн: 1285-1330 1525-1575	3,5 18	3,5 18	3,5 18	3,5 18
Знак дисперсии	+	+	+	+
Коэффициент затухания, дБ/км; на длине волны, нм	0,5 | 1310	0,4 | 1310	0,4 | all*	0,4 | all*
	— | —	0,35 | 1550	0,35 | 1383	0,35 | 1383
	0,4 | 1550	0,4 | 1625	0,3 | 1550	0,3 | 1550
Коэффициент PMD, пс/√км	0,5	0,2	0,5	0,2

Стандарт G.653

Стандарт G.653 распространяется на одномодовое волокно со смещенной нулевой дисперсией в области l=1,55 мкм. Это волокно имеет нулевую дисперсию в области минимальных потерь волокна, что достигается за счет более сложной структуры световедущей жилы, а именно специально заданному распределению коэффициента преломления по диаметру жилы.

Волокно типа G.653 используется в протяженных магистральных широкополосных линиях и сетях связи, оно обеспечивает передачу информации на несколько сотен километров со скоростями до 40 Гбит/с. Однако по нему можно передавать только один спектральный канал информации, то есть оно не может быть использовано в волоконно-оптических системах и сетях, в которых применяются волоконно-оптические усилители и плотное оптическое спектральное мультиплексирование (DWDM-технологии). Причина этого заключается в высоких уровнях световой мощности в волокне после усиления и высокой плотности спектрального уплотнения, т. е. необходимости одновременной передачи большого числа независимых спектральных каналов по одному волокну.

Высокая концентрация световой мощности в волокне — G.653 из-за особенностей структуры жилы приводит к проявлению нелинейных эффектов и, в частности, четырехволновому смешению, которое проявляется при нулевой хроматической дисперсии и приводит в свою очередь к перекрестным помехам в линии.

Характеристика	G.653.A	G.653.B
Длина волны, нм	1550	1550
Диаметр модового пятна, мкм	7,8–8,5±0,8	7,8–8,5±0,6
Диаметр оболочки, мкм	125,0±1	125,0±1
Диаметр защитного покрытия, мкм	250,0±15	250,0±15
Эксцентриситет сердцевины, мкм	0,8 максимум	0,6 максимум
Сплющенность оболочки	2,0% максимум	1,0% максимум
Длина волны отсечки кабеля, нм	1270 максимум	1270 максимум
Потери на макроизгибе, дБ	0,5 максимум на 1550 нм	0,1 максимум на 1550 нм
Проверочное напряжение, ГПа	0,69 минимум	0,69 минимум
Длина волны нулевой дисперсии, нм	от 1500 до 1600	от 1300 до 1324
Коэффициент хроматической дисперсии, пс/нм*км, не более, в интервале длин волн: 1525-1575	3,5	3,5
Коэффициент затухания, дБ/км; на длине волны, нм	0,35 | 1550	0,35 | 1550
Коэффициент PMD, пс/√км	0,5 пс/ √км	0,20 пс/√км

Стандарт G.654

Стандарт G.654 содержит описание характеристик одномодового волокна и кабеля, имеющих минимальные потери на l=1,55 мкм. Это волокно было разработано для применения в подводных ВОЛС. За счет больших, чем у волокна стандарта G.653 размеров световедущей жилы, оно позволяет передавать более высокие уровни оптической мощности, но в то же время обладает более высокой хроматической дисперсией в диапазоне l=1,55 мкм. Волокно типа G.654 не предназначено для работы на какой-либо другой волне излучения кроме l=1,55 мкм.

Характеристика	G.654.A	G.654.B	G.654.C
Длина волны, нм	1550	1550	1550
Диаметр модового пятна, мкм	9,5–10,5±0,7	9,5–13±0,7	9,5–10,5±0,7
Диаметр оболочки, мкм	125,0±1	125,0±1	125,0±1
Диаметр защитного покрытия, мкм	250,0±15	250,0±15	250,0±15
Эксцентриситет сердцевины, мкм	0,8 максимум	0,8 максимум	0,8 максимум
Сплющенность оболочки	2,0% максимум	2,0% максимум	2,0% максимум
Длина волны отсечки кабеля, нм	1530 максимум	1530 максимум	1530 максимум
Потери на макроизгибе, дБ	0,5 максимум на 1625 нм	0,5 максимум на 1625 нм	0,5 максимум на 1625 нм
Проверочное напряжение, ГПа	0,69 минимум	0,69 минимум	0,69 минимум
Длина волны нулевой дисперсии, нм	—	—	—
Коэффициент хроматической дисперсии, пс/нм*км, не более, в интервале длин волн: 1525-1575	20	22	20
Знак дисперсии	+	+	+
Коэффициент затухания, дБ/км; на длине волны, нм	— | —	— | —	— | —
	— | —	— | —	— | —
	0,22 | 1550	0,22 | 1550	0,22 | 1550
Коэффициент PMD, пс/√км	0,5	0,2	0,2

Стандарт G.655

Стандарт G.655 относится к волокну со смещенной ненулевой дисперсией — NZDSF (Non-Zero Dispersion Shifted Fiber). Это волокно предназначено для применения в магистральных волоконно-оптических линиях и глобальных сетях связи, использующих DWDM-технологии в диапазоне длин волн 1,55 мкм. Волокно — G.655 имеет слабую, контролируемую дисперсию в С полосе (l=1,53-1,56 мкм) и большой диаметр световедущей жилы по сравнению с волокном типа G.653. Это снижает проблему четырехволнового смешения и нелинейных эффектов и открывает возможности применения эффективных волоконно-оптических усилителей.

Вышеприведённая классификация оптических волокон по их основным характеристикам дана с точки зрения пользователя. Однако следует иметь в виду, что у производителей и поставщиков может быть своя классификация и маркировка, связанная с особенностями производства. Тем не менее, данные материалы помогут потребителям правильно сориентироваться при выборе ВОК для строительства новых и расширения действующих ВОЛС.

Характеристика	G.655.A	G.655.B	G.655.C	G.655.D	G.655.E
Длина волны, нм	1550	1550	1550	1550	1550
Диаметр модового пятна, мкм	8,0–11,0 ±0,7	8,0-11,0 ±0,7	8,0–11,0 ±0,7	8,0–11,0 ±0,6	8,0–11,0 ±0,6
Диаметр оболочки, мкм	125,0±1	125,0±1	125,0±1	125,0±1	125,0±1
Диаметр защитного покрытия, мкм	250,0±15	250,0±15	250,0±15	250,0±15	250,0±15
Эксцентриситет сердцевины, мкм	0,8 максимум	0,8 максимум	0,8 максимум	0,6 максимум	0,6 максимум
Сплющенность оболочки	2,0% максимум	2,0% максимум	2,0% максимум	1,0% максимум	1,0% максимум
Длина волны отсечки кабеля, нм	1450 максимум	1450 максимум	1450 максимум	1450 максимум	1450 максимум
Потери на макроизгибе, дБ	0,5 максимум на 1550 нм	0,5 максимум на 1625 нм	0,5 максимум на 1625 нм	0,1 максимум на 1625 нм	0,1 максимум на 1625 нм
Проверочное напряжение, ГПа	0,69 минимум	0,69 минимум	0,69 минимум	0,69 минимум	0,69 минимум
Коэффициент хроматической дисперсии, пс/нм*км, не более, в интервале длин волн: 1460-1625 1530-1565 1565-1625	0,1-6 —	1-10 —	1-10 —	2,6-6,0 -4,0-8,9	2,6-6,0 -4,0-8,9
Знак дисперсии	+ и –	+ и –	+ и –	+ и –	+ и –
Коэффициент затухания, дБ/км; на длине волны, нм	— | —	— | —	— | —	— | —	— | —
	— | —	0,35 | 1550	0,35 | 1550	0,35 | 1550	0,35 | 1550
	0,35 | 1550	0,4 | 1625	0,4 | 1625	0,4 | 1625	0,4 | 1625
Коэффициент PMD, пс/√км	0,5	0,5	0,2	0,2	0,2

Стандарт G.656

Стандарт G.656 Одномодовое оптоволокно с ненулевой дисперсией для широкополосной передачи данных.

Характеристика	G.656.A
Длина волны, нм	1550
Диаметр модового пятна, мкм	7,0–11,0±0,7
Диаметр оболочки, мкм	125,0±1
Диаметр защитного покрытия, мкм	250,0±15
Эксцентриситет сердцевины, мкм	0,8 максимум
Сплющенность оболочки	2,0% максимум
Длина волны отсечки кабеля, нм	1450 максимум
Потери на макроизгибе, дБ	0,5 максимум на 1625 нм
Проверочное напряжение, ГПа	0,69 минимум
Коэффициент хроматической дисперсии, пс/нм*км, не более, в интервале длин волн: 1460-1625 1530-1565	2,0-8,0 4,0-7,0
Знак дисперсии	положительный
Коэффициент затухания, дБ/км; на длине волны, нм	0,4 | 1460
	0,35 | 1550
	0,4 | 1625
Коэффициент PMD, пс/ √км	0,2

Стандарт G.657

Стандарт G.657 Одномодовое оптоволокно с уменьшенными потерями на малых радиусах изгиба.

Характеристика	G.657.A1		G.657.A2			G.657.B2			G.657.B3
Длина волны, нм	1310		1310			1310			1310
Диаметр модового пятна, мкм	8,6–9,5±0,4		8,6–9,5±0,4			6,3–9,5±0,4			6,3–9,5±0,4
Диаметр оболочки, мкм	125,0±0,7		125,0±0,7			125,0±0,7			125,0±0,7
Эксцентриситет сердцевины, мкм	0,5 максимум		0,5 максимум			0,5 максимум			0,5 максимум
Сплющенность оболочки	1,0% максимум		1,0% максимум			1,0% максимум			1,0% максимум
Длина волны среза кабеля, нм	1260 максимум		1260 максимум			1260 максимум			1260 максимум
Потери на макроизгибе, дБ: радиус, мм количество витков макс. при 1550 нм макс. при 1625 нм	15 10 0,25 1,0	10 1 0,75 1,5	15 10 0,03 0,1	10 1 0,1 0,2	7,5 1 0,5 1,0	15 10 0,03 0,1	10 1 0,1 0,2	7,5 1 0,5 1,0	10 1 0,03 0,1	7,5 1 0,08 0,25	5 1 0,15 0,45
Проверочное напряжение, ГПа	0,69 минимум		0,69 минимум			0,69 минимум			0,69 минимум
Коэффициент хроматической дисперсии, пс/нм*км, не более, в интервале длин волн: 1285-1330 1525-1575	3,5 18		3,5 18			Не является опреде- ляющей			Не является опреде- ляющей
Коэффициент затухания max, дБ/км; |на длине волны, нм	0,4 | 1310-1625		0,4 | 1310-1625			0,5 | 1310			0,5 | 1310
	0,4 | 1383		0,4 | 1383			0,3 | 1550			0,3 | 1550
	0,3 | 1550		0,3 | 1550			0,4 | 1625			0,4 | 1625
Коэффициент PMD, пс/√км	0,20		0,20			Не является опреде- ляющей			Не является опреде- ляющей

Устройство оптоволоконного кабеля | Борн

Оптоволоконный кабель – это самый современный способ высокоскоростной передачи данных. Вы можете также встретить такие названия как оптика, стекло, оптическое волокно, fiber. Часто применяется и аббревиатура ВОЛС (волоконно-оптическая линия связи). Но какое бы название Вы не применили, оптоволокно остается самой быстрой и надежной средой для вычислительных и телекоммуникационных систем, а также для передачи информации на значительные расстояния.

Именно такие кабельные линии проходят по дну мирового океана, соединяя континенты и позволяя нам беспрерывно пользоваться различной информацией. Скорость передачи в десятки раз превосходит обычную витую пару.

В настоящее время альтернативы передачи данных на огромные расстояния быстрее, чем по оптике, попросту нет.

Ниже Вы узнаете, что именно представляет собой оптоволоконный кабель, из чего он сделан, как работает и какие типы бывают, а также какие преимущества у Вас будут при его использовании.

Такой кабель по своей сути мало в чем отличается от других типов проводов. Однако, если в обычном кабеле сигнал проходит по медному проводнику при помощи электронов, то в оптоволокне для передачи данных используется свет (световые пучки — фотоны), который движется с очень большой скоростью.

Сам же кабель представляет собой многопарный провод, состоящий из отдельных проводников (жил), которые разделены специальным покрытием. При производстве используются определенные полимерные материалы, которые в процессе изготовления жил позволяют создать идеально гладкую поверхность внутренних «стенок» кабеля.

В каждом кабеле может быть от 2-3 и до нескольких сотен жил. Снаружи они для усиления прочности оплетаются полимерной нитью, а значит получают еще одну защитную оболочку из полиэтилена.

Информация в виде электрического сигнала идет по медному проводу, попадает в специальный конвертер и превращается в свет. При этом каждая отдельная жила передает зашифрованные в свет данные. В конце передаваемые данные снова принимаются конвертером и преобразовываются обратно в электрический сигнал.

Если говорить простыми словами, то каждый элемент представляет собой нечто вроде стеклянной трубки, которая в свою очередь находится в трубке с зеркальной поверхностью или обернута металлической фольгой, которая как раз и служит своеобразным экраном от потерь данных и помех. Это значит, что когда свет попадает в нее, то отражается от границ жил и проходит все дальше.

Стоит отметить, что расстояние, на которое будет передаваться информация, зависит не только от самого кабеля, но и от самого источника сигнала. То есть чем он мощнее, тем большее расстояние сигнал сможет преодолеть.

Всего есть два вида:

• Одномодовый (желтого цвета)
• Многомодовый (оранжевого цвета)

В первом случае диаметр сердечника равен примерно 9 мкм, а во втором — 50 или 62,5 мкм.

От вида кабеля напрямую зависит скорость затухания передаваемого сигнала. Первый тип способен без потерь передавать данные на дистанцию до 10 километров. А второй – всего на два-три километра. При этом одномодовые оптические кабели обладают пропускной способностью до 100 Гб/с на км и используются все чаще и чаще.Они подразделяются на 3 маркировки:

• Стандартная (SF, SM или SMF)
• Со смещенной дисперсией (DS или DSF)
• С ненулевой смещенной дисперсией (NZ, NZDSF или NZDS)

Два последних типа используются на гораздо дальние дистанции, чем стандартное оптоволокно.

Сейчас ведутся исследования, в результате которых скоро появится возможность передавать данные со скоростью до 160 Гбит/с.

На сегодняшний день существует несколько технологий производства оптоволоконных кабелей. Основное отличие между ними заключается в материале, из которого изготавливается стержень. Это может быть:

• Кварцевое стекло
• Пластик
• Полимерные материалы

От этого зависят не только пропускные характеристики, но и конечная стоимость оптоволокна.

В этой статье мы не будем рассматривать все виды представленного на рынке оптоволокна. Приведем в пример некий усредненный вариант:

1. Центральный (осевой) стержень
2. Оптоволокно
3. Пластиковые модули
4. Пленка с гидрофобным гелем
5. Внутренняя оболочка из полиэтилена
6. Броня (армирование)
7. Наружная полиэтиленовая оболочка

Рассмотрим их подробнее.

Представлен в виде стеклопластиковой трубки, которая может быть, как обернута в оболочку из полимера, так и быть без нее. Но в последнем случае нужно понимать, что такой провод может легко сломаться в местах изгибов, повреждая расположенное вокруг оптическое волокно. Сама трубка нужна для придания жесткости всему кабелю.

Оптические нити, как правило, изготавливаются толщиной в 125 микрон. Столько же примерно сколько и человеческий волос. Каждая нить состоит из сердцевины, по которой и идет передача данных, и специальной оболочки вокруг из кварцевого стекла, которое обеспечивает полное преломление света.

Когда вы видите маркировку кабеля 9/125 – это значит, что 9 микрон составляет сердечник, а 125 – его оболочка. При количество оптических волокон также обязательно проставляется в маркировке и может составлять от 2 до 144.

Представляют собой оболочку из пластика, в которой расположен непосредственно сам пучок оптических нитей и специальная гидрофобная смазка. При этом в оптоволоконном проводе таких модулей может быть сразу несколько, если нитей очень много. Эта пластиковая оболочка нужна для защиты от различных внешних повреждений.

Они обе также выполняют защитную функцию, в основном от трения модулей между собой и влаги. Разные производители могут добавить дополнительные слои гидрофобом или армировать.

При производстве ставят один из следующих типов:

• Кевлар – переплетенные нити. Применяется для уменьшения веса самого кабеля или в тех случаях, когда нельзя использовать металл
• Проволочное кольцо из стали. Эти провода предназначены для подземной укладки.
• Гофрированная сталь. Это оптоволокно применяется для прокладывания в трубах и канализации. Защищает в основном от грызунов.

Это наиболее важный элемент защиты кабеля. Ведь именно этот внешний слой должен выдерживать все нагрузки и повреждения. Если он будет испорчен, то и риск порчи самого кабеля значительно возрастает.

Одномодовое кварцевое оптическое волокно (SM)

Волокна из кварцевого стекла, получившие наибольшее распространение в системах телекоммуникаций, разделяют на две основных категории – одномодовое (SM – single-mode) и многомодовое (MM – multimode). Оба типа имеют свои преимущества и недостатки, которые необходимо учитывать при проектировании линии связи. Многомодовому оптическому волокну посвящена отдельная статья. Базовые вопросы волоконно-оптической связи (понятие оптоволокна, его основные характеристики, понятие моды…) обсуждаются в статье «Оптическое волокно».

 

Структура одномодового волокна и особенности передачи оптического излучения

Одномодовое волокно, как следует из названия, способно распространять на рабочей длине волны только одну основную (фундаментальную) моду оптического излучения. Одномодовый режим достигается за счет очень маленького диаметра сердцевины (обычно 7-10 мкм). Основная мода распространяется вблизи центральной оси волокна, при этом часть оптической мощности распространяется в оболочке, что повышает требования к оптическим свойствам оболочки. Чтобы учесть эту особенность, для описания одномодового оптического волокна помимо диаметра сердцевины используется еще и такой параметр, как диаметр модового пятна, который определяется как диаметр окружности, на которой мощность излучения уменьшается в е раз. Иными словами, в пределах этой окружности распространяется бо́льшая часть оптического излучения. (рис. 1). Очевидно, что диаметр модового пятна чуть больше диаметра сердцевины.

Рис. 1. Понятие модового пятна

 

Применительно к одномодовому оптическому волокну также вводится параметр длины волны отсечки. Если длина волны излучения меньше длины волны отсечки, в волокне начинают распространяться несколько мод, то есть оно становится многомодовым. Это важно учитывать при выборе рабочей длины волны. В стандартном одномодовом волокне длина волны отсечки имеет величину 1260 нм. Типичные рабочие длины волн для одномодового кварцевого волокна – 1310 и 1550 нм (второе и третье окна прозрачности, затухание меньше 0,4 дБ/км, см. рис. 2).

Рис. 2. Затухание в одномодовом кварцевом волокне

 

Набольшее распространение в телекоммуникациях получило кварцевое одномодовое волокно с соотношением диаметров сердцевины и оболочки 9/125 мкм. Как и в случае многомодового волокна, на одномодовое волокно наносится первичное защитное покрытие диаметром примерно 250 мкм (бывают другие размеры).

 

Отличия от многомодового волокна

В одномодовом волокне отсутствует межмодовая дисперсия, то есть уширение сигнала во времени из-за разницы в скорости распространения мод. Поэтому одномодовое волокно характеризуется очень большой величиной ширины полосы пропускания (десятки и даже сотни ТГц*км). Стандартное одномодовое волокно имеет ступенчатый профиль показателя преломления.

Величина затухания в одномодовом оптоволокне в несколько раз меньше, чем в многомодовом и примерно в 1000 раз меньше, чем затухание в кабеле на витой паре Cat6 (данные для частоты 500 МГц).

Таким образом, одномодовое волокно позволяет передавать информацию на очень большие расстояния (до 300 км) на высокой скорости без ретрансляции (восстановления) сигнала, причем характеристики передачи определяются главным образом свойствами активного оборудования.

С другой стороны, одномодовое волокно требует большой точности при вводе излучения и при стыковке оптических волокон друг с другом, что повышает стоимость используемых волоконно-оптических компонентов (активное оборудование, соединительные изделия) и усложняет процесс монтажа и обслуживания линий.

 

История и классификация

Первые одномодовые волокна появились в начале 1980-х годов и, благодаря своим отличным характеристикам передачи, стали активно использоваться в протяженных линиях связи. В то же время для передачи на короткие расстояния, например, в локальных сетях, продолжалось использование многомодового волокна. Со временем, в связи с уменьшением стоимости как самого волокна, так и компонентов для него, одномодовое волокно стало завоевывать все большую популярность и в непротяженных сетях. Таким образом, сегодня кварцевое одномодовое волокно является самым распространенным типом оптического волокна для передачи информации.

Для многомодовых волокон традиционным стало деление на 4 класса (OM1, OM2, OM3, OM4), в соответствии со стандартом ISO/IEC 11801. Для одномодового волокна существует похожее деление, однако оно далеко не так однозначно.

Международный стандарт ISO/IEC 11801 и европейский стандарт EN 50173, выпущенные в 1995 году, описывали только один тип одномодового волокна, получивший обозначение OS1 (Optical Single-Mode). Величина затухания, указанная для него, составляла 1 дБ/км на длинах волн 1310 и 1550 нм. По мере увеличения скорости и дальности передачи информации, стало ясно, что оптоволокно с таким затуханием уже не отвечает необходимым требованиям. Поэтому появилась новая категория одномодового волокна, названная OS2, в котором затухание было менее 0,4 дБ/км, причем это оптическое волокно имело низкий водный пик (увеличение затухания на длине волны 1383 нм, см. рис. 2). Параметры затухания указывались для волокна, заключенного в кабель. Традиционно считалось, что OS1 следует применять в кабелях с плотным буфером (tight buffer) для внутренней прокладки, а OS2 – в кабелях со свободным буфером (loose tube) для наружной прокладки.

В дальнейшем стандарты ISO/IEC и EN несколько раз переиздавались, и в них появлялись отличия в описании волокон OS1 и OS2. Это стало причиной путаницы в этих понятиях. Однако стоит отметить, что сегодня одномодовое волокно с затуханием 1 дБ/км практически не выпускается. Поэтому, в сущности, необходимость в такой классификации отпадает. Часто производители одномодовых волокон и кабелей обозначают свои изделия как OS2.

В дальнейшем появилось еще несколько разновидностей одномодовых кварцевых волокон, характеристики которых отличаются более существенно. Эти волокна были описаны в стандартах ITU-T G.652-657, IEC 60793-2-50, TIA-492CA/TIA-492EA. Отметим некоторые из этих разновидностей, которые представляют практический интерес в телекоммуникациях. Для определенности будем пользоваться рекомендациями ITU-T, которые чаще всего используются по отношению к одномодовому оптоволокну.

 

Типы одномодовых волокон

1. Одномодовое волокно с несмещенной дисперсией, G.652

Наиболее распространенный тип одномодового волокна с точкой нулевой хроматической дисперсии на длине волны 1300 нм. Стандарт выделяет четыре подкласса (A, B, C и D), отличающихся своими характеристиками. Особо стоит отметить волокна G.652.C и G.652.D – они имеют низкое затухание на длине волны 1383 нм, то есть в области «водного пика», а потому могут использоваться в системах CWDM. Такие волокна еще называют «всеволновыми».

2. Одномодовое волокно с нулевой смещенной дисперсией, G.653
(ZDSF – Zero Dispersion-Shifted Fiber)

Изменяя профиль показателя преломления, можно сдвинуть точку нулевой дисперсии в третье окно прозрачности (1550 нм), что позволяет увеличить дальность передачи сигнала при работе в этом диапазоне.

3. Одномодовое волокно со смещенной длиной волны отсечки, G.654

Этот тип волокна имеет точку нулевой дисперсии на 1300 нм. Однако благодаря чуть большему диаметру сердцевины длина волны отсечки и область минимального затухания смещены в область длин волн 1550 нм. Такое оптоволокно может использоваться для цифровой передачи на большие расстояния, например, в наземных системах дальней связи и магистральных подводных кабелях с оптическими усилителями.

4. Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией, G.655
(NZDSF – Non-Zero Dispersion Shifted Fiber)

Предназначено для передачи на длинах волн вблизи 1550 нм и оптимизировано для систем DWDM. Абсолютное значение коэффициента хроматической дисперсии в этом волокне больше некоего ненулевого значения в диапазоне длин волн от 1530 нм до 1565 нм. Ненулевая дисперсия препятствует возникновению нелинейных эффектов, которые особенно вредны для DWDM систем.

5. Одномодовое волокно c ненулевой смещенной дисперсией для широкополосной передачи, G.656

Подобно волокну G.655, имеет ненулевое значение коэффициента хроматической дисперсии, но уже в диапазоне длин волн 1460-1625 нм, поэтому хорошо подходит как для систем DWDM, так и для CWDM.

6. Одномодовое волокно, не чувствительное к потерям на макроизгибе, G.657 (Bend-Insensitive)

Помимо оптических свойств, важную роль играют и механические характеристики оптоволокна, в частности, его чувствительность к изгибам. Особенно это важно при прокладке внутри помещения, где волокно часто нужно изгибать. Стандарт G.657 выделяет несколько подклассов одномодового волокна, отличающихся минимальным радиусом изгиба и соответствующей величиной потерь (на одном или нескольких витках).

 

Описанные стандарты оптических волокон не всегда взаимоисключают друг друга. К примеру, распространенное оптоволокно компании Corning марки SMF-28® Ultra соответствует стандартам G.652.D и G.657.A1. В то же время бывают случаи, когда оптические волокна разных типов не совместимы друг с другом.

 

Активные компоненты

Поскольку одномодовое волокно имеет маленький диаметр сердцевины, в качестве источников излучения для него используются узконаправленные полупроводниковые лазеры, работающие во втором и третьем окнах прозрачности кварцевого волокна. Как правило, используются следующие типы лазеров:

1) Лазер с резонатором Фабри-Перо (FP – Fabry-Perot) – простейший тип полупроводникового лазера, характеризующийся большой шириной спектра (2 нм). Широкий спектр приводит к увеличению влияния хроматической дисперсии, что ограничивает расстояние передачи сигнала.

2) Лазер с распределенной обратной связью (DFB – distributed feedback) имеет конструкцию, способствующую уменьшению ширины спектра излучения до 0,1 нм, что позволяет использовать такие лазеры в более высокоскоростных и протяженных системах.

3) Лазер с внешней модуляцией (EML – externally modulated laser). Предыдущие типы излучателей относятся к категории лазеров с внутренней (прямой) модуляцией, при которой мощность излучения модулируется непосредственно током питания лазера. В системах, где важную роль играет стабильность длины волны излучения (например, в высокоскоростных системах и в системах WDM) применяются DFB лазеры, излучение которых модулируется внешним устройством модулятором.

 

Применение одномодового волокна

Итак, использование одномодового кварцевого волокна позволяет осуществить передачу информационного сигнала на десятки и даже сотни километров на высокой скорости (десятки Гбит/с).

Кроме того, как уже было отмечено выше, некоторые виды одномодового волокна можно использовать в сетях со спектральным уплотнением каналов (CWDM, DWDM), когда по одному оптоволокну одновременно распространяется излучение на нескольких длинах волн, причем в обоих направлениях (рис. 3). Это позволяет увеличить скорость передачи и объем передаваемой информации еще в большей степени. Частным случаем применения спектрального уплотнения является пассивная оптическая сеть (PON), в которой информация передается на трех длинах волн (1310, 1490 и 1550 нм).

Рис. 3. Каналы CWDM и DWDM и спектр затухания одномодового волокна (сплошная линия – стандартное волокно с водным пиком на 1383 нм, пунктирная линия – волокно с низким водным пиком)

 

________________________________________________________________

Другие статьи об оптическом волокне и его разновидностях: