Одномодовые и многомодовые оптические кабели

Самые частые вопросы, которые задают нашим экспертам: в чем отличие одномодового от многомодового кабеля, где и чем обусловлено их применение, можно ли заменить один тип другим? И даже такой вопрос — каких цветов бывают «кабельные моды»? Разберем все это в нашем материале.

Сначала определимся с понятием «кабельной моды». Такого термина не существует! Любой волоконно-оптический кабель (ВОК) содержит в своей конструкции так называемые модули — пластиковые трубки, защищающие оптические волокна. Они действительно бывают разных цветов и в зависимости от их количества можно условно разделить ВОК на одномодульные и многомодульные. Если же говорить об одномодовых (Single-mode, SM) и многомодовых (Multi-mode, MM) кабелях — подразумевается, что кабель изготовлен из соответствующих типов оптических волокон (ОВ). Итак:

ИЛИ  НЕ ОЗНАЧАЕТ Single-mode / Multi-mode

Что такое «мода оптического волокна»?

Мода — это элементарная составляющая, отдельный луч, из которого состоит свет, проходящий по волокну. С точки зрения теоретической физики, каждая мода — это одно из решений волновых уравнений Максвелла, описывающих распространение света в световоде. Условно каждую моду представляют в виде набора прямых линий, образующих конус. На схемах же, обычно в поперечном сечении, моды изображают в виде отдельных лучей, распространяющихся в волокне под углом к оптической оси. При этом луч, который геометрически совпадает с осью волокна носит название первой или основной моды, а все остальные называют боковыми модами.

В зависимости от диаметра сердцевины ОВ, показателей преломления материалов сердцевины и оболочки в оптическом волокне будет распространяться только одна или несколько мод излучения. На рис. 1 наглядно показано, что в волокно с маленьким диаметром сердцевины можно ввести только одну моду, в то время как больший диаметр позволяет вводить несколько мод.

Рис. 1. Распространение мод излучения.

Диаметры сердцевины и оболочки для MM составляют, соответственно, 50/125 мкм или 62,5/125 мкм, а для SM — 9/125 мкм. В самом простом случае, когда показатели преломления сердцевины и оболочки имеют равномерные по сечению величины, их профиль носит название ступенчатого. Сечения этих типов ОВ в этом случае выглядят так, как показано на рис. 2:

Рис. 2. Профили показателей преломления различных типов ОВ.

Для SM-волокна ступенчатый профиль показателя преломления вполне приемлем, поскольку в нём распространяется только одна мода. А вот в MM-волокнах со ступенчатым показателем условия прохождения сигнала сильно ухудшаются из-за появления дисперсии. Дисперсию, то есть искажение формы импульса света, вызванную разницей маршрутов распространения отдельных мод, называют межмодовой. Такой вид дисперсии служит главным отличием по оптическим свойствам между SM и MM.

В настоящее время частично подавить межмодовую дисперсию стало возможным за счёт изготовления волокон с так называемым градиентным профилем преломления сердцевины. В этом случае оптическая плотность кварцевого стекла, из которого изготовления сердцевина, плавно снижается от центра к границе. Это даёт возможность скорректировать линии распространения боковых мод и уменьшить искажения сигнала. Наглядно разница между сигналами на входе и на выходе волокна для разных вариантов изготовления показана на рис. 3:

Рис. 3. Изменения формы и амплитуды сигнала на выходе линии в волокнах с разными профилями показателя преломления.

Для систем связи, использующих ММ-волокна рекомендуется использовать именно ОВ с градиентным коэффициентом преломления, однако надо понимать, что стоимость изготовления такого типа волокон гораздо выше, чем у волокон со ступенчатым коэффициентом.

Рассмотрим подробнее различные виды MM и SM волокон и кабелей на их основе.

Многомодовое волокно

Из-за влияния межмодовой дисперсии MM-волокно имеет ограничения по скорости и дальности распространения сигнала по сравнению с SM-волокном. Длину многомодовых линий связи ограничивает также большое по сравнению с одномодовым волокном затухание.

В то же время требования к расходимости излучения источника сигнала, а так же к точности юстировки компонентов оборудования ощутимо снижаются за счёт большого диаметра. Вследствие этого оборудование для многомодового волокна стоит гораздо дешевле, чем для одномодового (хотя само многомодовое волокно несколько дороже).

Как было упомянуто ранее, наибольшее распространение получили многомодовые волокна 50/125 и 62,5/125 мкм. Первые коммерческие MM волокна, производство которых началось в 1970-х годах, имели диаметр сердцевины 50 мкм и ступенчатый профиль коэффициента преломления. На тот момент единственным источником излучения были светодиоды. Увеличение передаваемого трафика привело к появлению волокон с сердцевиной 62,5 мкм. Бо́льший диаметр позволял более эффективно использовать излучение светодиодов, которые отличаются большой расходимостью светового потока. Однако при этом увеличивалось число распространяемых мод, что негативно сказывается на характеристиках передачи. Поэтому, когда вместо светодиодов стали использоваться узконаправленные лазеры, популярность снова обрело волокно 50/125 мкм. В результате совершенствования технологии производства были разработаны волокна, которые стали называть «оптимизированными для работы с лазерами». Дальнейшему росту скорости и дальности передачи информации способствовало появление волокон с градиентным профилем показателя преломления.

В настоящее время существует классификация многомодовых кварцевых волокон, подробно описанная в различных стандартах. Например, стандарт ISO/IEC 11801 определяет 4 категории многомодовых волокон. Они обозначаются латинскими буквами OM (Optical Multimode) и цифрой, обозначающей класс волокна:

• 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.

Основной параметр, зависящий от дисперсии и определяющий способность волокна поддерживать распространение сигнала на определенные расстояния — коэффициент широкополосности. Для каждого класса в стандарте указываются значения затухания и коэффициента широкополосности. Данные представлены в таблице 1, где параметр OFL (overfilled launch) описывает метод определения ширины полосы пропускания, а именно – с помощью светодиодов.

Табл. 1. Сравнение характеристик ММ-волокон разных классов.

В июне 2016 года Ассоциация телекоммуникационной промышленности (TIA) опубликовала стандарт, описывающий новый класс ММ волокна – ОМ5 (TIA-492AAAE). Волокна, изготовленные по такому стандарту, позволят использовать технологию SWDM (Short-wavelength division multiplexing – уплотнение по коротким длинам волн) с четырьмя различными длинами волн. Что, в свою очередь, даст возможность повысить скорость передачи информации в 4 раза при сохранении и даже небольшом увеличении максимальной длины линии. В настоящий момент волокна OM5 в нашей стране практически не применяются, поскольку все их достоинства реализуются только в случае использования активного оборудования (трансиверов), работающего с технологией SWDM. О коммерческой целесообразности применения таких волокон говорить пока рано.

Одномодовое волокно

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

Величина затухания в SM волокне в несколько раз меньше, чем в MM, что позволяет передавать информацию на очень большие расстояния (500 и более км) на высокой скорости без ретрансляции (повторения) сигнала, при этом характеристики передачи определяются главным образом параметрами активного оборудования.

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

Первые SM-волокна появились в начале 80-х годов и стали активно использоваться в протяженных линиях связи. В то же время для передачи на короткие расстояния, например, в локальных сетях, продолжалось использование ММ-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 SM- волокно является самым распространенным типом оптического волокна.

По мере совершенствования технологий производства создавались и менялись и стандарты, описывающие требования к оптическим волокнам. В отличие от MM-волокон, которые в настоящее время описываются стандартом ISO/IEC 11801, для SM волокон наиболее распространёнными и повсеместно используемыми стали стандарты ITU-T G.652-657.

Перечислим основные свойства волокон, соответствующих этим стандартам.

1. Одномодовое волокно с несмещенной дисперсией, G.652 (SSMF – Standard Singlemode Fiber)

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. Используются только за рубежом и только в линиях, работающих без использования спектрального уплотнения.

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

Волокна с минимизацией потерь на длине волны l=1550 нм являются модификацией волокон SSF с уменьшенными потерями (менее 0,18 дБ/км) в третьем окне прозрачности. Низкое затухание достигается за счет применения кварца сверхвысокой степени очистки для сердцевины, что позволяет снизить затухание, обусловленное поглощением примесями, а также формирования больших значений длины волны отсечки для уменьшения чувствительности к потерям, обусловленным изгибами волокна. Такое оптоволокно может использоваться для передачи цифровой информации на большие расстояния, например, в наземных системах дальней связи и магистральных подводных кабелях с оптическими усилителями. Из-за трудности производства эти волокна очень дороги.

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.

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.

Применение кабелей на основе SM и MM волокна

В настоящее время сложилась практика выбора оптического кабеля в зависимости от сферы применения.

Одномодовое волокно используется:

• в морских и трансокеанских кабельных линиях связи;
• в наземных магистральных линиях дальней связи;
• в региональных линиях, линиях связи между городскими узлами, в выделенных оптических каналах большой протяженности, в магистралях к оборудованию операторов мобильной связи;
• в системах кабельного телевидения;
• в системах GPON с доведением волокна до конечного пользователя;
• в СКС, когда магистрали достигают длины 550 м и более (например, между зданиями);
• в СКС, обслуживающих ЦОД, независимо от расстояния.

Многомодовое волокно в основном используется:

• в СКС, в магистралях, проходящих внутри здания (как правило, протяженностью до 300 м) и в магистралях между зданиями, если расстояние не превышает 550 м;
• в горизонтальных сегментах СКС и в системах FTTD (fiber-to-the-desk), где устанавливаются пользовательские рабочие станции с многомодовыми оптическими сетевыми картами;
• в ЦОД, в дополнение к одномодовому волокну;
• во всех случаях, где расстояние позволяет применять многомодовые кабели. Основной критерий выбора – кабели обходятся дороже, но экономия на активном оборудовании покроет эти затраты.

Для демонстрации коммерческой целесообразности применения SM и MM волокон в различных случаях сравним стоимость активного оборудования. Будем сравнивать конкретные модели оборудования, необходимого для работы на различных скоростях передачи информации. См. табл. 2.

Табл. 2. Стоимость активного оборудования для работы с SM- и MM-волокнами. (Цены актуальны на начало 2020 года

Примеры кабельной продукции

Несмотря на различные оптические свойства, волокна SM и MM совершенно неотличимы по внешнему виду. Совпадает даже диаметр оболочек — он равен 125 мкм для всех типов. Производителям волоконно-оптического кабеля нет никакой разницы, какое волокно использовать в той или иной марке кабеля. По желанию заказчика кабель может быть изготовлен с использованием любых типов волокна. Тем не менее кабель с многомодом предназначается в основном для локальных сетей, в качестве примера — кабель завода Инкаб из серии «дистрибьюшн», применяемый при прокладке в пределах этажа.

Рис. 4. Внешний вид кабеля ОБР.

В конструкцию входят оптические волокна в буферном покрытии, слой упрочняющих арамидных нитей и внешняя оболочка, обязательно не распространяющего горение исполнения. На оболочке кабеля обязательно указывается полная маркировка, например, ОБР-В-нг(А)-HF 12 G.651 OM2.

В то же время, кабель на основе одномода может быть совершенно любой конструкции. Тип используемого волокна так же в обязательном порядке указывается в маркировке кабеля на его оболочке. При этом надо помнить, что у каждого производителя правила маркировки свои, причём чаще всего тип ОВ указывается сокращённо. Например, на кабелях ООО «Инкаб» для обозначения ОВ марки Corning SMF-28® в маркировке используют букву «У». Для примера можно взять кабель, предназначенный для прокладки в городской кабельной канализации.

Рис. 5. Внешний вид кабеля ДПЛ.

Такой кабель отличается внешней оболочкой чёрного цвета, бронепокровом из гофрированной ленты и водозащитой. Маркировка выглядит, например, так – ДПЛ-П-24У(3х8) 2.7кН.

Помимо кабелей, в число материалов для строительства ВОЛС входят также оптические шнуры (ОШ). Оптические шнуры характеризуются тем, что имеют небольшую длину и содержат, как правило, всего одно (simplex) или два (duplex) волокна. Такие шнуры, называемые также патчкордами (два коннектора) или пигтейлами (один коннектор) могут быть как SM, так и MM, при этом для идентификации на буферной оболочке указывается тип волокна. Если же буферная оболочка имеет диаметр не 3 мм, а 0,9 мм, и рассмотреть на ней какую-либо надпись было бы затруднительно, обычно прибегают к цветовой маркировке. Цветовые соответствия разных типов ОВ описываются стандартом ANSl/TIA/EIA-598-C, но, к сожалению, в нашей стране он не отражён в нормативных документах. Поэтому иногда можно встретить оптические шнуры нестандартных цветов, что может вызвать определенные сложности в работе с линией.

Тем не менее, согласно стандарту, буферные покрытия имеют цвета, представленные на рис. 6:

Рис. 6. Цветовая кодировка буферного покрытия различных видов ОШ.

Рис. 7. MM-патчкорды категории OM2

Рис. 8. SM-патчкорды

Иногда, некоторые производители ОШ (например, ЗАО «Связьстройдеталь») используют вместо жёлтого цвета буфера белый, если шнур изготавливается из изгибостойкого волокна (соотв. стандарту G.657.A1).

Заключение

Надеемся, что довольно подробно смогли рассказать о понятиях одномодового и многомодового кабелей, об их свойствах и отличиях. Надеемся также, что данная статья поможет  лучше представлять, на что обращать внимание при работе с оптико-волоконными кабелями. Производство кабельной продукции постоянно совершенствуется, появляются новые разработки и стандарты, и умение ориентироваться в них — залог успешного проектирования и строительства линий связи.

Чтобы всегда быть в курсе новинок и технологий, подписывайтесь на нашу рассылку и смотрите вебинары с экспертами отрасли. Если требуется получить хорошую теоретическую и практическую базу для работы, записывайтесь на курсы повышения квалификации в нашем Учебном Центре «ВОЛС.Эксперт».