Типы оптоволокна – Оптические волокна. Классификация. / Habr

Оптические волокна. Классификация. / Habr

Оптические волокно стандарт де-факто при построении магистральных сетей связи. Протяженность волоконно-оптических линий связи в России у крупных операторов связи достигает > 50 тыс.км.
Благодаря волокну мы имеем все те преимущества в связи, которых не было раньше.
Вот и попробуем рассмотреть виновника торжества — оптическое волокно.

В статье попробую написать просто о оптических волокнах, без математических выкладок и с простыми человеческими объяснениями.

Статья чисто ознакомительная, т.е. не содержит уникальных знаний, всё что будет описано может быть найдено в куче книг, однако, это не копипаст, а выжимка из «кучи» информации только лишь сути.

Классификация

Чаще всего волокна подразделяют на 2 общих типа волокон
1. Многомодовые волокна
2. Одномодовые

дадим пояснение на «бытовом» уровне что есть одномод и многомод.
Представим гипотетическую систему передачи с волокном воткнутым в нее.
Нам надо передать двоичную информацию. Импульсы электричества в волокне не распространяются, ибо диэлектрик, поэтому мы будим передавать энергию света.
Для этого нам нужен источник световой энергии. Это могут быть светодиоды и лазеры.

Теперь мы знаем что мы используем в качестве передатчика — это свет.

Подумаем как свет вводится в волокно:
1) Световое излучение имеет свой спектр, поэтому если сердцевина волокна широкая (это в многомодовом волокне), то больше спектральных составляющих света попадет в сердцевину.
Например мы передаем свет на длине волны 1300нм (к примеру), сердцевина многомода широкая, то и путей распространения у волн больше. Каждый такой путь и есть моды

2) Если же сердцевина маленькая (одномодовое волокно), то путей распространения волн соотвественно уменьшается. И так как дополнительных мод гораздо меньше, то и не будет и модовой дисперсии (о ней ниже).

Это основное отличие многомодового и одномодового волокон.
Спасибо enjoint, tegger, hazanko за замечания.

Многомодовые в свою очередь делятся на волокна со ступенчатым показателем преломления (step index multi mode fiber) и с градиентным (graded index m/mode fiber).

Одномодовые делятся на ступенчатые, стандартные (standard fiber), со смещенной дисперсией (dispersion-shifted) и ненулевой смещенной дисперсией (non-zero dispersion-shifted)

Конструкция оптического волокна

Каждое волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления.
Сердцевина (которая и является основной средой передачи энергии светового сигнала) изготавливается из оптически более плотного материала, оболочка — из менее.

Так, например, запись 50/125 говорит о том, что диаметр сердцевины равен 50 мкм, оболочки — 125мкм.

Диаметры сердцевины равные 50мкм и 62,5мкм являются признаками многомодовых оптических волокон, а 8-10мкм, соответственно, одномодовым.
Оболочка же, как правило, всегда имеет диаметр размером 125мкм.

Как видно диаметр сердцевины одномодового волокна имеет намного меньший размер, нежели диаметр многомодового. Меньший диаметр сердцевины позволяет уменьшить модовую дисперсию (о которой, возможно, будет написано в отдельной статье, а также вопросы распространения света в волокне), а соответственно увеличить дальность передачи. Однако, тогда бы одномодовые волокна вытеснили многомоды, благодаря более лучшим «транспортным» характеристикам, если бы не необходимость использовать дорогие лазеры с узким спектром излучения. В многомодовых волокнах используются светодиоды с более размазанным спектром.

Поэтому для недорогих оптических решений, таких как локальные сети интернет-провайдеров применения многомода случается.

Профиль показателя преломления

Вся пляска с бубном у волокна с целью увеличения скорости передачи была вокруг профиля показателя преломления. Так как основным сдерживающим фактором увеличения скорости является модовая дисперсия.
Кратко суть в следующем:
когда излучение лазера поступает в сердцевину волокна, то сигнал передается по ней в виде отдельных мод (грубо: лучей света. А на самом деле разные спектральные составляющие вводимого сигнала)
Причем входят «лучи» под разными углами, поэтому время распространения энергии отдельно взятых мод различается. Это проиллюстрировано на рисунке ниже.

Здесь отображены 3 профиля преломления:
ступенчатый и градиентный для многомодового волокна и ступенчатый для одномодового.
Видно, что в многомодовых волокнах моды света распространяются по различным путям, но, из-за постоянного коэффициента преломления сердцевины с ОДИНАКОВОЙ скоростью. Те моды, которые вынуждены идти по ломанной линии приходят позже, чем моды, идущие по прямой. Поэтому исходный сигнал растягивается во времени.
Другое дело с градиентным профилем, те моды которые раньше шли по центру — замедляются, а моды, которые шли по ломанному пути, наоборот, ускоряются. Это произошло оттого, что коэффициент преломления сердечника теперь непостоянен. Он увеличивается параболически от краев к центру.
Это позволяет увеличить скорость передачи и получить распознаваемый сигнал на приеме.

Области применения оптических волокон

Многомодовое волокно	Одномодовое волокно
MMF 50(62.5)/125 Градиентное	SF 9/125 ступенчатое	SF 9/125 со смещенной дисперсией (с ненулевой смещенной дисп.)
ЛВС(GigaEther,FDDI,ATM)	Протяженные ЛВС, магистрали SDH	Сверхпротяженные магистрали SDH

К этому можно добавить, что магистральные кабели теперь все почти идут с ненулевой смещенной дисперсий, что позволяет использовать на этих кабелях спектральное волновое уплотнение (WDM) без нужды замены кабеля.
А при построении пассивных оптических сетей часто используют многомодовое волокно.

Спасибо тем, кто конструктивно критиковал.

PS
если будет интересно, то могут появиться статьи о
— дисперсии
— типах волоконно-оптических кабелей (не волокон)
— системах передачи, используемых для wdm/dwdm уплотнения.

— процедура сварки оптических волокон. и типы сколов.

habr.com

кварцевые и не только / ЭФО corporate blog / Habr

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.

habr.com

Оптическое волокно в промышленных системах связи / ЭФО corporate blog / Habr

В нашей предыдущей статье мы рассматривали основные типы оптических волокон. Среди всего прочего, обращалось внимание на то, что область применения оптического волокна не ограничивается лишь компьютерными сетями. Растет число областей промышленности, в которых используются волоконно-оптические линии связи (ВОЛС).

Компания «ЭФО» имеет большой опыт в поставке волоконно-оптических компонентов для индустриальных применений. И в этой статье мы рассмотрим основные особенности оптического волокна с точки зрения специфики промышленных условий и приведем некоторые конкретные примеры его применения в разных областях промышленности.

В промышленных применениях редко возникает необходимость в высокоскоростной передаче сигнала на большие расстояния. Типичные значения скорости передачи ограничиваются сотнями Мбит/с, а длина участка линии связи составляет десятки-сотни метров. Этим условиям вполне отвечают стандартные линии на основе витой пары или коаксиального кабеля, а также беспроводная связь. Однако в промышленных условиях на первый план выходят такие факторы, как безопасность и надежность передачи информации. И в этой связи дают о себе знать другие преимущества оптоволокна, существенно выделяющие его на фоне конкурентов. В первую очередь, речь идет о следующих двух особенностях оптического волокна:

• Невосприимчивость к электромагнитному излучению (ЭМИ). Промышленные процессы зачастую сопровождаются повышенным уровнем электромагнитного шума, источником которого могут быть силовые установки, радиоаппаратура и прочее технологическое оборудование. Электромагнитные помехи могут привести к искажению или даже полной потере данных. В отличие от своих конкурентов, оптическое волокно изготавливается из диэлектрического материала, а потому абсолютно невосприимчиво к электромагнитным помехам. Это позволяет прокладывать оптическую линию связи в непосредственной близости к источникам ЭМИ (в частности, к силовым линиям питания технологического оборудования). Вдобавок, оптоволокно само не создает электромагнитных полей в окружающем пространстве, поэтому между соседними оптоволоконными линиями связи не возникает перекрестных помех.
• Гальваническая развязка. Поскольку оптическое волокно является диэлектриком, между передающей и приемной стороной отсутствует электрический контакт. Это позволяет решить большое количество проблем, связанных с разностью потенциалов соединяемого оборудования, протеканием выравнивающего тока при неидеальном заземлении, а также скачками напряжения и другими аварийными ситуациями. Оптоволокно обеспечивает изоляцию значительно более высокого напряжения, чем оптроны и другие микросхемы, используемые для гальванической развязки.

По этим причинам во многих промышленных применениях наилучшим, а подчас и единственно верным, решением является использование оптического волокна. Большую популярность получили индустриальные линии связи на основе пластикового (полимерного) оптического волокна (POF), поскольку они полностью отвечают предъявляемым требованиям и в то же время привлекают сравнительно низкой стоимостью компонентов и простотой работы с POF.
Спектр возможных применений оптоволокна (в частности, POF) в промышленности очень разнообразен. Далее мы вкратце рассмотрим некоторые конкретные примеры, взятые из руководства по применению (Application Note), выпущенного компанией Avago Technologies (сейчас – Broadcom Limited), – одним из ведущих производителей индустриальных волоконно-оптических компонентов.

1. Управление технологическими процессами

В автоматизированных промышленных системах контроллеры получают сигналы управления от компьютера, который может быть удален на некоторое расстояние. Линии связи, по которым передаются эти сигналы, часто располагаются вдоль линий питания и вблизи технологических установок. Чтобы исключить влияние помех на передаваемые сигналы, применяется оптическое волокно. Так, при помощи оптоволокна можно организовать связь между компьютером и программируемым логическим контроллером (ПЛК), а также связь между несколькими ПЛК, объединенными в общую информационную сеть.

Другим примером является управление промышленными роботами, в конструкцию которых входят электродвигатели, соленоиды и прочие элементы, создающие электромагнитные помехи. Относительная гибкость оптического волокна позволяет также использовать его для связи между движущимися частями робота.

2. Системы сбора данных и измерительные системы

Большое значение на производстве также играют контрольно-измерительные системы. Зачастую необходимо проводить мониторинг различных параметров высоковольтного оборудования. Обработка полученных данных при этом осуществляется при помощи низковольтной микропроцессорной техники. Поэтому для передачи сигналов необходима надежная гальваническая развязка, которая достигается при использовании оптического волокна.

В автоматизированных контрольно-измерительных системах также широко используется интерфейсная шина GPIB (IEEE-488). При помощи оптоволокна можно увеличить расстояние между измерительным прибором и компьютером, обрабатывающим информацию. При этом обеспечивается гальваническая развязка и защита от электромагнитных помех, что критично с точки зрения точности измерений.

3. Защита от ударов молнии

Если технологическое оборудование расположено в разных помещениях, волоконно-оптическая связь между установками обеспечивает защиту от возможных повреждений, вызванных ударами молнии.

4. Силовое оборудование

Оптическое волокно используется не только для передачи информации от одних промышленных установок к другим. Оптоволоконные интерфейсы часто применяются внутри оборудования для связи между его частями. В качестве примера можно привести управление IGBT транзисторами, служащими в качестве электронных ключей в инверторах, импульсных источниках питания и других силовых приборах. Оптоволокно обеспечивает надежную гальваническую развязку между низковольтным микроконтроллером, формирующим управляющие сигналы, и затвором силового транзистора.

Другим устройством силовой электроники, в котором используется оптическое волокно, является статический компенсатор реактивной мощности (SVC – Static VAR Compensator), применяемый в высоковольтных системах для уменьшения нагрузки на распределительную сеть, улучшения качества подаваемой электроэнергии и снижения расходов. Основными элементами SVC являются конденсаторы с тиристорным переключением (TSC – Thyristor-Switched Capacitors) и реакторы с тиристорным управлением (TCR – Thyristor-Controlled Reactor), переключение которых приводит к возникновению сильных электромагнитных полей. Поэтому для передачи управляющих сигналов и сигналов обратной связи в SVC применяется оптическое волокно, невосприимчивое к помехам и обеспечивающую гальваническую развязку.

5. Установки альтернативной энергетики

Из рассмотренного выше видно, что оптоволокно может применяться на разных этапах одного и того же технологического процесса. В качестве примера рассмотрим такую набирающую популярность в последние годы область промышленности, как альтернативная энергетика. Наиболее распространенными направлениями на сегодняшний день являются ветроэнергетика и солнечная энергетика.

Ветрогенератор (ВЭУ – ветроэлектрическая установка) преобразует кинетическую энергию ветрового потока в электрическую энергию. В конструкцию ветрогенератора входят выпрямители, инверторы, трансформаторы и фильтры, осуществляющие необходимое преобразование выработанной электроэнергии для ее последующей передачи на большие расстояния. Соединение силового оборудования ветрогенераторов при помощи оптического волокна позволяет исключить влияние скачков напряжения и электромагнитных помех на передаваемые сигналы. Волоконно-оптические компоненты могут располагаться в непосредственной близости к оборудованию и силовым линиям. Оптическое волокно может применяться в следующем оборудовании ветровой электростанции:

• Драйверы затвора силовых транзисторов в выпрямителях и инверторах.
• Приборные и коммуникационные панели.
• Блоки управления турбиной.
• Системы мониторинга условий окружающей среды и состояния оборудования.
• Информационные сети ветровых электростанций.

Аналогичным образом оптическое волокно применяется и в оборудовании электростанций на основе солнечных батарей, преобразующих солнечную энергию в электрический ток. Оптоволокно на солнечных электростанциях применяется в следующих системах:

• Драйверы затвора транзисторов в силовых инверторах.
• Приборные и коммуникационные панели.
• Оборудование автоматизации подстанций и релейной защиты.

6. Оптические системы дуговой защиты

Следующий пример использования оптического волокна несколько отличается от всех предыдущих, поскольку здесь оптоволокно выступает не просто как канал связи, а как основной элемент системы. Речь идет об оптических системах защиты от электрической дуги в комплектных распределительных устройствах (КРУ) электрических подстанций. Такие системы регистрируют оптическое излучение вспышки света, возникающей при дуговом коротком замыкании. Этот подход позволяет минимизировать время срабатывания выключателя в случае аварии. В качестве чувствительного элемента обычно используется линзовый оптический датчик, собирающий излучение вспышки и передающий по оптоволокну на управляющее устройство, или же волоконно-оптический датчик, представляющий собой отрезок оптоволокна в прозрачной оболочке, который регистрирует свет всей своей поверхностью. Управление датчиками может производиться удаленно. Подробнее об оптических системах защиты от дуговых замыканий можно прочитать здесь.

7. Другие автоматизированные системы

Необходимость в централизованном управлении различными установками возникает также и в других системах, не связанных с производством и энергетикой. Приведем два примера, в которых целесообразно использовать оптическое волокно.

Сеть POS-терминалов в магазинах, банках и других учреждениях. Использование оптоволокна для передачи информации между POS-терминалами и центральным компьютером гарантирует высокую скорость связи и сохранность данных по проведенным операциям. Особенно это важно на крупных площадях, где могут присутствовать источники сильных помех.

Игровые развлекательные центры. Оптоволокно также может быть использовано для автоматизации игровых развлекательных систем, а именно для связи центрального компьютера с игровыми автоматами, внутренних соединений автомата и связи между игровыми автоматами для многопользовательской игры.

8. Медицинское оборудование

Еще одна область, в которой активно применяется оптическое волокно, – это медицинское оборудование. Изолирующие свойства оптического волокна обеспечивают защиту пациента, персонала и электроники от высоковольтной части аппаратуры. В качестве примера можно привести рентгеновский аппарат. Для генерации излучения к рентгеновской трубке подводится высокое напряжение. Оптоволокно обеспечивает гальваническую развязку между источником высокого напряжения и низковольтным управляющим оборудованием. При этом также устраняется влияние электромагнитных помех, возникающих при переключении высоких токов и напряжений.

Конечно, невозможно перечислить всех возможных промышленных применений оптического волокна. Однако эта область телекоммуникаций активно развивается как во всем мире, так и в нашей стране.

Для реализации этих и других подобных систем передачи информации выпускаются индустриальные волоконно-оптические компоненты, отвечающие жестким условиям промышленности. Большую популярность среди разработчиков заслужили компоненты линейки Versatile Link, выпускаемые компанией Broadcom Limited (ООО «ЭФО» является официальным дистрибьютором Broadcom). Эта линейка компонентов предназначена для работы с пластиковым оптическим волокном и включает дискретные оптические передатчики и приемники, коннекторы, адаптеры (розетки) и POF патч-корды. Компоненты Versatile Link отличаются надежностью, экономичностью, а также простотой эксплуатации, благодаря чему могут использоваться практически в любых сферах промышленности.
В нашей следующей статье мы сделаем подробный обзор этой линейки компонентов. С ассортиментом продукции Versatile Link Вы можете ознакомиться на сайте компании «ЭФО», посвященном волоконно-оптическим компонентам – InFiber.ru:

habr.com

Характеристики оптического волокна

Самый древний и вместе с тем и самый распространённый способ передачи сигналов, почти до первой половины XIX века, был световой, или посредством огней и других световых сигналов, или же помощью особых приборов с подвижными частями, различные взаимные положения которых и должны составлять условные знаки. Была высказана мысль (Бушредер, в 1725 г.), что вавилонская башня могла служить для оптического телеграфирования. У китайцев для той же цели зажигаются яркие огни на башнях, расположенных вдоль всей Великой Китайской стены. Такой способ передачи известий, посредством огней, применялся и позднее у всех диких народов, в особенности в Африке.

Оптические кабели используют точно такой же принцип – передача информации на дальние расстояния с помощью света. С той лишь разницей, что при использовании современных систем передач скорость может достигать до 10 Гбит/с.

Оптические кабели в отличие от электрических не требуют дефицитных материалов и изготавливаются, как правило, из стекла и полимеров. Помимо экономии меди достоинствами оптических кабелей являются:

• Высокая пропускная способность
• Малое ослабление сигнала и независимость его от частоты
• Высокая защищенность от внешних электромагнитных помех
• Малые габаритные размеры и масса
• Надежная техника безопасности (отсутствие искрения и короткого замыкания)

В качестве источника излучения для ВОЛС используется лазер. Лазер – оптический квантовый генератор. Лазер обладает когерентным излучением, то есть согласованным во времени и пространстве движением фотонов, и имеет узконаправленный луч. В отличие от обыкновенного света, основанного на тепловой природе возникновения и излучающего очень широкий непрерывный спектр частот, лазерный луч имеет электромагнитную основу и представляет собой монохроматический (одноволновый) луч.

Передача света происходит в тонком световоде (тоньше человеческого волоса). Световод представляет из себя совокупность сердцевины и оболочки, вдоль границы которой распространяется световой сигнал. И сердцевина, и оболочка состоят из кварца с разным показателем преломления. Поверх сердцевины накладывается покрытие (буфер), которое служит в целях защиты и обеспечивает гибкость.

Волны по световоду в заданном направлении передаются за счет отражений их от границы раздела сердцевины и оболочки, имеющей разные показатели преломления. Граница раздела сред  характеризуется соотношением между длиной волны и поперечным диаметров сердцевины. Если длина волны меньше диаметра сердцевины передача сигнала будет осуществляться за счет многократного отражения от раздела сред с различными характеристика. Много непонятных слов? Сейчас поясним все по порядку.

Для того, чтобы понимать как луч света свободно проходит через световод и никуда не излучается, необходимо знать закон преломления из курса физики. При переходе света из одной среды в другую направление света может меняться.

Направление света меняется за счет того, что разные среды имеют разную плотность. Плотность среды влияет на скорость распространения света. Чем меньше плотность, тем больше скорость распространения света. В общем случае, данная зависимость выражается простой формулой.

где c – скорость света в вакууме, n – показатель преломления.

Таким образом, показатель преломления показывает во сколько раз скорость распространения света в данной среде меньше чем в вакууме.

Итак, мы выяснили, что в направления света в разных средах меняется. Но каким образом? Ответ на этот вопрос дает закон преломления (или закон Снеллиуса).

Падающий и преломленный лучи и перпендикуляр, проведенный к границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред:

 

Световод волокна состоит из сердцевины и оболочки. Луч света распространяется по сердцевине, отражаясь от оболочки. Нам необходимо знать условие, при котором падающий луч будет полностью отражаться и, соответственно, не будет преломления. Отражения не будет, когда угол β равен 90 градусов. Синус 90 градусов равен единице.

Получим условие полного внутреннего отражения

Область определения арксинуса от -1 до 1. Так как изначально угол

То и область определения арксинуса будет от 0 до 1, иными словами

Очевидно, что данное условие будет выполняться только при

Иными словами, условие полного внутреннего отражения будет выполняться тогда, когда луч падает из более плотной среды n1 в среду менее плотную n2.

Плотность сердцевины должна быть больше плотности оболочки волокна. Сердцевина изготавливается из чистого материала (стекла или пластика) и имеет диаметр 9 мкм (для одномодового волокна), 50 или 62,5 мкм (для многомодового волокна). Оболочка имеет диаметр 125 мкм и состоит из материала с легирующими добавками, изменяющими показатель преломления. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479. Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, многократно отражаясь от оболочки.

Режим полного внутреннего отражения предопределяет условие подачи света на входной торец световода. Как видно из рисунка ниже световод пропускает лишь свет, заключенный в пределах телесного угла θmax, величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения. Этот телесный угол характеризуется апертурой. Апертура – это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения.

Структурная схема волоконно-оптической линии связи

Сигнал от абонента поступает на ИКМ – импульсно-кодовый модулятор. ИКМ выполняет преобразование сигнала в цифровую форму. ПК – преобразователь кода, изменяет код от абонента на тот, который используется в оптических линиях. ЭОП – электронно-оптический преобразователь. Представляет из себя лазер, либо светодиод. Преобразует электрический сигнал в оптический. СУ – согласующее устройство, предназначено для согласования параметров линии передачи. После СУ оптический сигнал направляется в световод. На его пути стоит Р – регенератор, который выполняет восстановление сигнала по форме, мощности, амплитуде и фазе. На приме находится ЭОП – электро-оптический преобразователь. По сути это фотодиод. Он выполняет функцию преобразования оптического сигнала в электрический.

Типы оптических волокон

С точки зрения волновой теории энергия в оптическом волокне сосредотачивается в определенных областях сердцевины, которые получили название мода. Одной их характеристик оптического волокна является количество мод – участков распространения энергии.

Все оптические волокна делятся на две основные группы:

• Многомодовые волокна, в которых возникает несколько областей распространения энергии – мод. Каждая мода распространяется по своей траектории и в итоге они поступают на выход в разные моменты времени. Это приводит к искажению сигнала.
• Одномодовые волокна, в которых энергия распространяется по одному направлению.

Многомодовые волокна также отличаются профилем показатели преломления. Профиль показателя преломления представляет зависимость показателя преломления от центра оси волокна. По показателю преломления многомодовые волокна делятся на ступенчатые и градиентные.

У градиентного волокна показатель преломления зависит от радиуса. Для многомодового волокна градиентный показатель преломления имеет лучшие характеристики, чем ступенчатое. Это связано с тем, что межмодовая дисперсия значительно меньше, что приводит к большей пропускной способности. Одномодовое волокно имеет значительно меньший диаметр сердцевины по сравнению с многомодовым и, как следствие, из-за отсутствия межмодовой дисперсии, более высокую пропускную способность.

В ВОЛС наиболее широко используются следующие стандарты оптических волокон:

• Многомодовое градиентное волокно 50/125 (G.651)
• Многомодовое градиентное волокно 62.5/125 (G.651)
• Одномодовое ступенчатое волокно с несмещенной дисперсией 8-10/125 (G.652)
• Одномодовое волокно со смещенной дисперсией DSF 8-10/125 (G.653)

Источники и приемники излучения

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ) предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Требования к источникам излучения, применяемым в ВОЛС:

• Излучение должно вестись на длине волны, соответствующей одному из окон прозрачности: 850, 1300, 1550 нм
• Необходимая частота модуляции для обеспечения требуемой длины волны
• Необходимая мощность для передачи на дальние расстояния

В настоящее время используется два основных источника излучения: светодиод (LED) и полупроводниковый лазерный диод (LD). Светоизлучающие диоды имеют широкий спектр излучения, в то время как лазерные диоды имеют значительно более узкий спектр.

Приемные оптоэлектронные модули (ПРОМ) выполняют обратное преобразование: оптический сигнал в электрический. Требования к приемникам излучения в ВОЛС высокая чувствительность и высокое быстродействие. В качестве ПРОМ используются p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды.

Затухание в оптическом волокне

Оптическое волокно характеризуется двумя важными параметрами: затухание и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия, тем больше может быть расстояние между регенерационными участками.

Затухание – уменьшение мощности оптического сигнала. Измеряется в децибелах.

P1 – мощность на входе, Вт. P2 – мощность на выходе, Вт.

Затухание в оптическом волокне может зависит от разных причин. Рассмотрим классификацию потерь.

Кабельные потери обусловлены скруткой, деформацией и изгибами волокон, возникающими при наложении покрытий и защитных оболочек. Изгибы приводят к нарушению условия полного внутреннего отражения.

Собственные потери обусловлены неидеальными свойствами оптического волокна. Затухание рассеивания возникает за счет неоднородностей сердцевины волокна. Неоднородности проявляется в том, что волокно имеет участки с немного отличающимися показателями преломления. Свет попадания на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях. Затухание поглощения состоит как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощения), так и из потерь, связанных с поглощением света в примесях. Причиной поглощения в ультрафиолетовом диапазоне является резонанс электронных оболочек атомов кремния. Причиной поглощения в инфракрасном диапазоне является резонанс атомов кремния как системы. Поглощения света на примесях обуславливается резонансном гидрооксидных групп OH, в результате чего на длинах волн 1000 нм, 1998 нм возникает резкое увеличение затухание, которое проявляется в увеличении джоулева тепла.

Существует три окна прозрачности оптического волокна: 850 нм, 1310 нм, 1550 нм.

Неоднородность затухания света в оптическом волокне в разных диапазонах длин волн обусловлена неидеальностью среды, наличием примесей, резонирующих на разных частотах.

Затухание в разных окнах прозрачности неодинаково: наименьшая его величина — 0,22 дБ/км наблюдается на длине волны 1550 нм, поэтому третье окно прозрачности используется для организации связи на большие расстояния (DWDM, SDH). Во втором окне прозрачности (1310 нм) затухание выше— 0,36 дБ/км , однако для этой длины волны характерна нулевая дисперсия, поэтому второе окно используется на городских и зоновых сетях небольшой протяжённости (PON). Первое окно прозрачности (850 нм) используется в офисных оптических сетях; использование этого окна прозрачности незначительно. Затухание на 850 нм составляет 0,5 дБ/км.

 

Дисперсия в оптическом волокне

Дисперсия – рассеивание во времени модовых и частотных составляющих сигнала. Дисперсия приводит к уширению импульсов. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться так, что становится невозможным их выделение на приеме.

Дисперсия имеет размерность времени и определяется как квадратичная разность длительностей импульсов на входе и выходе кабеля длины L.

Дисперсия в общем случае характеризуется тремя основными факторами:

• Различием скоростей распространения направляемых мод (межмодовая дисперсия)
• Направляющими свойствами световодной структуры (волноводной дисперсией)
• Свойствами материала оптического волокна (материальной дисперсией)

Межмодовая дисперсия относится только к многомодовому волокну. Обусловлено разными путями распространения мод.

Хроматическая дисперсия связана с длиной волны. Хроматическая дисперсия обуславливается наличием в спектре передаваемого сигнала множества спектральных составляющих, каждая из которых соответствует определенной длине волны. Грубо говоря, каждая волна распространяется со своей скоростью, от чего возникает дисперсия.

Поддержите проект

Друзья, сайт Netcloud каждый день развивается благодаря вашей поддержке. Мы планируем запустить новые рубрики статей, а также некоторые полезные сервисы. 

У вас есть возможность поддержать проект и внести любую сумму, которую посчитаете нужной.

netclo.ru

Классификация оптического волокна — Проектикум, Рязань

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) применяются в основном для прокладки магистральных линий связи для передачи данных на расстояния в несколько километров. Но также используются и в сетях связи в пределах одного предприятия в составе СКС.

Такое широкое применение обеспечено высоким уровнем защищенности ВОЛС и низким затуханием. При отличных технических характеристиках есть еще один неоспоримый плюс — простота прокладки оптоволоконного кабеля.

Оптоволокно имеет множество видов и классифицируется по разным признакам.

Классификация по типу волокон

Зачастую волокна подразделяют на две большие группы: многомодовые и одномодовые.

Одномодовые оптические волокна характеризуются небольшим диаметром сердцевины от 8 до 10 мкр. Благодаря этому излучение распространяется в одной моде, исключая межмодовую дисперсию. Такой вариант идеально подходит для организации телефонных линий и кабельного телевидения.

Одномодовое оптоволокно бывает трех видов:

• Стандартное — ступенчатое, с несмещённой дисперсией.
• Со смещённой дисперсией. Показатель затухания этого варианта минимален.
• С ненулевой смещённой дисперсией.

Многомодовые кабели отличаются значительно большим диаметром – 50-62,5 микрон. Из-за такого размера кабель имеет несколько мод излучения, каждая из которых распространяется под своим углом.  Вследствие этого импульс из абсолютно прямоугольного преобразуется в колоколоподобный.

Все кабели с несколькими модами подразделяются на два вида:

• Ступенчатые, где преломление осуществляется скачкообразно.
• Градиентные, где преломление возрастает от центра краю.

Классификация по материалу изготовления

Существует три типовых варианта конструктива сердцевины и внешнего слоя оптического волокна:

• Стекло — стекло;
• Пластик – пластик;
• Стекло – пластик.

Самым популярным видом является цельностеклянное изготовление. При производстве используют диоксид кремния и расплавленный кварц.  Для получения различных характеристик добавляются германий, фосфор или бор.

Второй тип имеет более низкие показатели по сравнению с первым – его пропускная способность существенно ниже. Однако, прокладка оптоволоконного кабеля, состоящего полностью из пластика популярна из-за существенно сниженной стоимости.

На сегодняшний день третий тип практически не используется.

Классификация по месту прокладки

Прокладка ВОЛС может осуществляться по двум каналам:

• Наружный – на воздухе, под водой, в грунте.
• Внутренний – внутри зданий.

В зависимости от окружающей среды используются кабели с различными дополнительными функциями. Например, для укладки под водой используется многослойный кабель, для прокладки оптоволоконного кабеля под землей – используется модель с защитой из железных проволок.

Классификация по типу нагрузки

По этому типу оптоволокно можно разделить на 4 большие группы:

1. Магистральная сеть. Для прокладки сетей на значительные расстояния используется одномодовый кабель со смещенной дисперсией. Его также можно прокладывать в грунте различного типа.
2. Городские кабели. Для организации сети внутри населенных пунктов используют градиентные волокна, они способны поддерживать устойчивую связь на нескольких волновых длинах. Протяженность такой сети может достигать 100 км.
3. Объектовые. Используются для прокладки оптоволоконного кабеля внутри сети предприятий или домов, активно применяются для организации телефонных сетей.
4. Монтажные ВОЛС. Используются для настройки и связи оборудования в ограниченном пространстве.

www.proektikum.ru

прошлое и настоящее / НАГ corporate blog / Habr

В 1966 году ученый и выходец из Китая Чарльз Као Куэн представил миру результаты собственного исследования. Основной посыл его разработок заключался в том, что оптическую связь можно организовать с помощью стеклянного волокна. В своей работе Као представил миру уникальные конструктивные особенности волокна и его материалов. Исследования ученого можно по праву считать основой волоконно-оптических телекоммуникаций сегодняшнего дня. Первое же упоминание термина “оптическое волокно” впервые было использовано в 1956 году компанией NS Kapany из США.

Сегодня технологии волоконно-оптической связи настолько прочно проникли в нашу жизнь, что мы уже не видим в них ничего удивительного и воспринимаем их наличие также, как наличие водопровода в многоквартирном доме. Поэтому в этой публикации хотелось бы подробнее поговорить об оптике и рассказать несколько интересных фактов о технологии, на которой основана современная высокоскоростная связь.

Немного истории

За время истории развития волоконной оптики было проведено множество интересных исследований и экспериментов. Остановим свой взгляд лишь на некоторых из них.

Английский физик Джон Тиндалл провел эксперимент с отражением светового луча в струе воды, описание которого он зафиксировал в своей книге.

«Если угол, под которым падает луч света из воды в воздух (т.е. угол между поверхностью двух сред и перпендикуляром), превышает 48 градусов, то луч не выходит из воды – он полностью отражается от границы вода-воздух… Если наименьший угол падения, при котором наблюдается полное внутреннее отражение, назвать предельным углом, то для воды он будет равным 48°27», для бесцветного стекла (флинтглас) – 38°41″, а для алмаза – 23°42″, — пишет Тиндалл.

Экспериментальная установка Джона Тиндалла

Этот эксперимент при желании может дома поставить любой желающий. Лазерной указкой нужно светить под разными углами в ванной на струю воды из крана. Под определенным углом световой луч будет полностью отражаться в потоке воды.

Аналогичный эксперимент можно произвести и с фонариком. Для этого в прозрачной пластиковой бутылке нужно сделать отверстие сбоку. Пропускаем воду через бутылку и начинаем светить фонарем с противоположной стороны бутылки. Если мы подставив ладонь, то на ней будет отражаться пятно света.

Активные разговоры о волоконных светодиодах начались еще в пятидесятых годах прошлого столетия. Тогда же и начали их делать из разного рода прозрачных материалов. Но прозрачности тех материалов не хватало для хорошей проводимости света.

В те годы Советский Союз даже опережал Запад в сфере волоконной оптики. Первая оптическая линия связи была запущена в СССР в 1977 году в Зеленограде. Канал был создан для соединения Северной промзоны и администрации города. Изготовлена она была на оптическом кабеле разработки особого конструкторского бюро кабельной промышленности (ОКБ КП), входящего в Концерн «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ) Государственной корпорации Ростех, специализирующегося на производстве кабелей и кабельных сборок.

В мае 1981 года в СССР вышло Постановление ЦК КПСС и СМ СССР «О разработке и внедрении световодных систем связи и передачи информации». Это событие стало толчком для развития волоконно-оптической связи и увеличению количества разработок в этой сфере.

В начале 60-х сначала в СССР, а затем и на Западе ученые приходят к выводу, что светопоглощение стекла сильно зависит от красящих материалов и продуктов разъедания огнеупоров. Экспериментально было доказано, что светопоглощение идеально чистого стекла настолько мало, что лежит за пределами чувствительности измерительных приборов.
В 1966 году группа ученых во главе Чарльзом Куэн Као приходит к выводу, что наиболее подходящим материалом для волоконно-оптической связи будет кварцевое стекло. Уже тогда Као считал, что с помощью оптики можно будет передавать информацию и вскоре этот вид связи заменит передачи сигнала по медным проводам.

Спустя три года Као получил волокно с коэффициентом затухания на уровне 4 дБ/км. Это результат стал первым экземпляром сверхпрозрачного стекла. Еще год спустя компания Corning Incorporated произвела волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и достигла коэффициента затухания 20 дБ/км на длине волны 633 нм. Впервые кварцевое волокно пропустило световой луч на расстояние до 2 километров.

Согласитесь в схожем темпе сейчас развивается квантовая передача данных. По чуть-чуть, да понемногу. В качестве экспериментов и коммерческого использования на небольших расстояниях.

Где оптоволокно применяется помимо телекома

Сегодня волокно применяется во множестве отраслей помимо телекома. Это рентгеновские аппараты, где оно обеспечивает гальваническую развязку между источником высокого напряжения и низковольтным управляющим оборудованием. Так персонал и пациенты получают изоляцию от высоковольтной части аппаратуры. Волокно применяют в распределительных устройствах электроподстанций в качестве датчика системы защиты.

Обширно оптические волокна используют в разного рода измерительных системах, где невозможно применять традиционные электроприборы. Например, в системах измерения температуры в реактивных двигателях самолета, в аппаратах МРТ (томографические медицинские аппараты для исследования внутренних органов, в том числе головного мозга) и др. Датчики на основе оптических волокон могут измерять частоту вибраций, вращения, смещения, скорость и ускорение, вращающий момент, скручивание и другие параметры.

Сегодня применяются гироскопы на основе оптического волокна, которые работают на основе эффекта Саньяка. У такого гироскопа нет подвижных частей, что делает его весьма надежным. Несмотря на то что в современных системах навигации используется огромное количество различных датчиков, благодаря которым определяется положение объекта, наиболее независимую систему можно создать лишь на основе волоконно-оптических гироскопов.
Оптика широко применяется в охранной сигнализации. Устроена такая охранная система следующим образом: когда злоумышленник проникает на территорию условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.

Пример реализации волоконно-оптического гироскопа

Трехосевой волоконно-оптический инерциальный измерительный модуль серии ASTRIX производства фирмы AIRBUS DEFENCE&SPACE; в датчик по каждому направлению встроен LiNb03 модулятор

Волокно активно используется в декоративных целях, как украшение праздников, в искусстве и рекламе.

Постоянно разрабатываются новые типы оптических волокон. К примеру, фотонно-кристаллических световоды. Распространение света в них основано на несколько иных принципах. Такое волокно можно использовать в качестве жидкостных, химических и газовых датчиков. Кроме того его можно применять для для транспортировки мощного излучения в промышленных или медицинских целях.

Уже не в новинку волоконные лазеры с выходной мощностью непрерывного излучения в несколько десятков киловатт. Оружие на основе 6-волоконных 5.5 кВт лазеров еще в 2014 году испытали в американском флоте. Волоконным лазерами режут металл и бетон. Например, установка для резки металла компании IPG Photonics имеет мощность в 100 кВт.

Полным ходом идет разработка оптоволокна, с помощью которого можно было бы передавать энергию лазерного излучения мощность в несколько киловатт. В теории передача излучения мощность 10 кВт по волокну длиной 250 м при диаметре сердцевины 150 мкм считается возможной.

Фотонно-кристаллическое волокно

Также стоит отметить, что сегодня активно разрабатываются многосердцевинные волокна. Их использование позволит значительно увеличить общую пропускную способность ВОЛС.
Волокну уже за пятьдесят, но технология явно не собирается на пенсию. Инновации в сфере оптоволокна появляются регулярно и телеком здесь далеко не единственная отрасль заинтересованная в развитии технологии.

habr.com

Оптическое волокно (оптоволокно)

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

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

 

Структура оптического волокна

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

Рис. 1. Конструкция оптического волокна

 

Свет распространяется по оптоволокну благодаря явлению полного внутреннего отражения. Показатель преломления сердцевины, обычно имеющий величину от 1,4 до 1,5, всегда немного больше, чем показатель преломления оптической оболочки (разница порядка 1%). Поэтому световые волны, распространяющиеся в сердцевине под углом, не превышающим некоторое критическое значение, претерпевают полное внутреннее отражение от оптической оболочки (рис. 2). Это следует из закона преломления Снеллиуса. Путем многократных переотражений от оболочки эти волны распространяются по оптическому волокну.

Рис. 2. Полное внутреннее отражение в оптическом волокне

 

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

 

Основные характеристики оптического волокна

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

1. Геометрические параметры.

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

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

Рис 3. Некруглость и неконцентричность сердцевины и оболочки

 

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

 

2. Числовая апертура.

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

Рис 4. Числовая апертура

 

3. Профиль показателя преломления.

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

Рис. 5. Профили показателя преломления

 

4. Затухание (потери).

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

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

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

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

Рис. 6. Спектральная зависимость коэффициента затухания

 

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

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

 

5.Дисперсионные свойства.

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

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

 

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

Таблица 1. Виды дисперсии в оптическом волокне.

Название	Краткое описание	Параметр
1. Хроматическая дисперсия	Любой источник излучает не одну длину волны, а спектр незначительно отличающихся длин волн, которые распространяются с разной скоростью.	Коэффициент хроматической дисперсии, пс/(нм*км). Может быть положительным (спектральные составляющие с большей длиной волны двигаются быстрее) и отрицательным (наоборот). Существует длина волны с нулевой дисперсией.
а) Материальная хроматическая дисперсия	Связана со свойствами материала (зависимость показателя преломления от длины волны излучения)
б) Волноводная хроматическая дисперсия	Связана с наличием волноводной структуры (профиль показателя преломления)
2. Межмодовая дисперсия	Моды распространяются по разным траекториям, поэтому возникает задержка во времени их распространения.	Ширина полосы пропускания (bandwidth), МГц*км. Эта величина определяет максимальную частоту следования импульсов, при которой не происходит межсимвольной интерференции (сигнал передается без существенных искажений). Пропускная способность канала (Мбит/с) может численно отличаться от ширины полосы пропускания (МГц*км) в зависимости от способа кодирования информации.
3. Поляризационная модовая дисперсия, PMD	Мода имеет две взаимно перпендикулярные составляющие (поляризационные моды), которые могут распространяться с различными скоростями.	Коэффициент PMD, пс/√км. Временная задержка из-за PMD, нормируемая на 1 км.

 

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

 

Разновидности и классификация оптических волокон

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

Фундаментальным является деление оптическим волокон по следующим критериям.

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

Рис. 8. Многомодовое и одномодовое волокно

 

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

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

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

 

Производство оптических волокон

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

 

Волоконно-оптические кабели

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

Рис.9. Волоконно-оптические кабели

infiber.ru