Оптоволоконные кабели, виды и характеристики
Оптоволоконный кабель (он же волоконно-оптический) — это принципиально иной тип кабеля по сравнению с другими типами электрических или медных кабелей. Информация по нему передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент — это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.
Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля, только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром порядка 1-10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции — стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. В данном случае мы имеем дело с режимом так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна).
Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам этот сигнал принципиально не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как это требует нарушения целостности кабеля. Теоретически воз¬можная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 1012 Гц, что несравнимо выше, чем у любых электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля.
Типичная величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, используемых в локальных сетях, составляет около 5 дБ/км, что примерно соответствует показателям электрических кабелей на низких частотах. Но в случае оптоволоконного кабеля при росте частоты передаваемого сигнала затухание увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы, он просто не имеет конкурентов.
Однако оптоволоконный кабель имеет и некоторые недостатки. Самый главный из них — высокая сложность монтажа (при установке разъемов необходима микронная точность, от точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъеме). Для установки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно.
Хотя оптоволоконные кабели и допускают разветвление сигналов (для этого выпускаются специальные разветвители на 2-8 каналов), как правило, их используют для передачи. Ведь любое разветвление неизбежно сильно ослабляет световой сигнал, и если разветвлений будет много, то свет может просто не дойти до конца сети.
Оптоволоконный кабель менее прочен, чем электрический, и менее гибкий (типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10-20 см). Чувствителен он и к ионизирующим излучениям, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна, то есть увеличивается затухание сигнала. Чувствителен он также к резким перепадам температуры, в результате которых стекловолокно может треснуть. В настоящее времы выпускаются оптические кабели из радиационно стойкого стекла (стоят они, естественно, дороже).
Оптоволоконные кабели чувствительны также к механическим воздействиям (удары, ультразвук) — так называемый микрофонный эффект. Для его уменьшения используют мягкие звукопоглощающие оболочки.
Применяют оптоволоконный кабель только в сетях с топологией «звезда» и «кольцо». Никаких проблем согласования и заземления в данном случае не существует. Кабель обеспечивает идеальную гальваническую развязку компьютеров сети. В будущем этот тип кабеля, вероятно, вытеснит электрические кабели всех типов или, во всяком случае, сильно потеснит их. Запасы меди на планете истощаются, а сырья для производства стекла более чем достаточно.
Существуют два различных типа оптоволоконных кабелей:
- Многомодовый, или мультимодовый, кабель, более дешевый, но менее качественный;
- Одномодовый кабель, более дорогой, но имеющий лучшие ха¬рактеристики.
Основные различия между этими типами связаны с разным режимам прохождения световых лучей в кабеле.
В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего все они достигают приемника одновременно, и форма сигнала практически не искажается. Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает свет только с такой же длиной волны (1,3 мкм). Дисперсия и потери сигнала при этом очень не¬значительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномодового кабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны. Такие приемопередатчики пока еще сравнительно дороги и не слишком долговечны. Однако в перспективе одномодовый кабель должен стать основным благодаря своим прекрасным характеристикам.
В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается. Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки — 125 мкм (это иногда обозначается как 62,5/125).
Для передачи используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем. Длина волны света в многомодовом кабеле равна 0,85 мкм. Допустимая длина кабеля достигает 2-5 км. В настоящее время многомодовый кабель — основной тип оптоволоконного кабеля, так как он дешевле и доступнее. Задержка распространения сигнала в оптоволоконном кабеле не сильно отличается от задержки в электрических кабелях. Типичная величина задержки для наиболее распространенных кабелей составляет около 4-5 нс/м.
Строение и типы волоконно-оптического кабеля
Оптоволокно состоит из тонкого
стеклянного цилиндра, называемого жилой или сердцевиной, окруженного
оптической оболочкой, имеющей показатель преломления света несколько
меньший, чем у жилы. Диаметр оптоволокна имеет круглую форму и размеры в
соответствии с международными и национальными стандартами. Обычно
оптоволокно выпускается с сечением 125 мкм.
Оптоволокно защищено буферным слоем (обычно из лака) и элементами усиления прочности и жесткости, изготовленные из различных материалов, чаще всего из кевлара и пластика. Это волоконно-оптический кабель усиленной конфигурации. В так называемом облегченном оптическом кабеле в пространстве между внешней оболочкой и буферным слоем вместо волокон кевлара и пластика используется жидкий гелий. Внешняя оболочка оптоволокна изготавливается из поливинилхлорида.
Оптоволоконный кабель бывает двух типов: одномодовый и
многомодовый.
Одномодовый оптический кабель имеет размер сердцевины
около 1,3 мкм и допускает только прямолинейное прохождение светового
сигнала. В многомодовом типе волоконно оптического кабеля свет
распространяется по нескольким модам, вследствие чего происходят
искажения сигнала, и пропускная способность существенно снижается; также
он имеет характерные помехи: модальную и хроматическую дисперсию.
В настоящее время оптоволоконный кабель выпускается трех видов, которые различаются в зависимости от условий применения: для внутренней прокладки, для внешней прокладки и для изготовления соединительных и коммутационных шнуров.
На сайте нашей компании «ЭМИЛИНК» (г. Москва)
представлен большой ассортимент оптоволоконной продукции от таких
известных производителей, как «Белтелкабель», «Эликс-кабель»,
«Москабель-Фуджикура», «Интегра-кабель», «Еврокабель-1» и другие. Мы
работаем только с проверенными заводами, изготавливающими оптоволокно,
поэтому можем гарантировать высокое качество и надежность продукции,
реализуемой нашей компанией.
Выбрав московскую компанию «ЭМИЛИНК» в качестве поставщика оптоволоконного кабеля различных типов и конфигураций, Вы сможете решить широкий круг задач по строительству и эксплуатации эффективных телекоммуникационных сетей передачи данных любой сложности.
У нас Вы можете приобрести оптический и волоконно-оптический кабель, цена на который обязательно Вас устроит.
Волоконная оптика: Понимание основ | Волоконная оптика и связь | Справочник по фотонике
Ничто так не изменило мир связи, как разработка и внедрение оптического волокна. В этой статье представлены основные принципы, необходимые для работы с этой технологией.Инженерно-технический персонал, OFS
Оптические волокна изготавливаются из стекла или пластика. Диаметр большинства из них примерно равен человеческому волосу, а длина может достигать многих миль. Свет передается по центру волокна от одного конца к другому, и может быть наложен сигнал. Волоконно-оптические системы превосходят металлические проводники во многих приложениях.
Их самым большим преимуществом является пропускная способность. Из-за длины волны света можно передавать сигнал, который содержит значительно больше информации, чем это возможно с помощью металлического проводника — даже коаксиального проводника. Среди других преимуществ:• Электрическая изоляция — оптоволокно не требует заземления. И передатчик, и приемник изолированы друг от друга и поэтому не имеют проблем с контуром заземления. Кроме того, отсутствует опасность искр или поражения электрическим током.
• Свобода от электромагнитных помех — волоконная оптика невосприимчива к электромагнитным помехам (ЭМП) и сама по себе не излучает излучение, вызывающее другие помехи.
• Низкие потери мощности — это позволяет использовать более длинные кабели и меньше усилителей повторителей.
• Легче и меньше — оптоволокно весит меньше и занимает меньше места, чем металлические проводники с эквивалентной пропускной способностью.
Медная проволока примерно в 13 раз тяжелее.
Волокно также проще в установке и требует меньше места для воздуховодов.
Области применения
Некоторые из основных областей применения оптических волокон:
• Коммуникации. Передача голоса, данных и видео является наиболее распространенным применением оптоволокна, в том числе:
– Телекоммуникации
– Локальные вычислительные сети (LAN)
– Промышленные системы управления
– Авионические системы
– Военные системы управления, контроля и связи
детектор для получения информации о давлении, температуре или спектре. Волокно также можно использовать непосредственно в качестве преобразователя для измерения ряда воздействий окружающей среды, таких как деформация, давление, электрическое сопротивление и рН. Изменения окружающей среды влияют на интенсивность, фазу и/или поляризацию света таким образом, что их можно обнаружить на другом конце волокна.
• Подача энергии — Оптические волокна могут обеспечивать удивительно высокий уровень мощности для таких задач, как лазерная резка, сварка, маркировка и сверление.
• Освещение — пучок волокон, собранных вместе с источником света на одном конце, может освещать труднодоступные области — например, внутри человеческого тела, в сочетании с эндоскопом. Кроме того, их можно использовать как вывеску или просто как декоративную подсветку.
Рис. 1. Оптическое волокно состоит из сердцевины, оболочки и покрытия .
Конструкция
Оптическое волокно состоит из трех основных концентрических элементов: сердцевины, оболочки и внешнего покрытия (рис. 1).
Сердцевина обычно изготавливается из стекла или пластика, хотя иногда используются и другие материалы, в зависимости от желаемого спектра передачи.
Сердцевина — это светопропускающая часть волокна. Оболочка обычно изготавливается из того же материала, что и сердцевина, но с несколько меньшим показателем преломления (обычно примерно на 1%). Эта разница показателей преломления вызывает полное внутреннее отражение на границе преломления по длине волокна, так что свет проходит вниз по волокну и не выходит через боковые стенки.
Рис. 2. Луч света, проходящий от одного материала к другому с другим показателем преломления, искривляется или преломляется на границе раздела.
Покрытие обычно состоит из одного или нескольких слоев пластика, защитить волокно от физической среды. Иногда металлический к покрытию добавляются оболочки для дополнительной физической защиты.
Оптические волокна обычно определяются по размеру, который определяется внешним диаметром сердцевины, оболочки и покрытия. Например, 62,5/125/250 относится к волокну с сердцевиной диаметром 62,5 мкм, оболочкой диаметром 125 мкм и внешним покрытием диаметром 0,25 мм.
Принципы
Оптические материалы характеризуются показателем преломления, обозначаемым как n. Показатель преломления материала – это отношение
скорости света в вакууме к скорости света в веществе. Когда луч света проходит от одного материала к другому с другим показателем преломления, луч изгибается (или преломляется) на границе раздела (рис.
2).
Преломление описывается законом Снеллиуса:
где n I и n R — показатели преломления материалов, через которые преломляется луч, а I и R — углы падения и преломления луча. Если угол падения больше критического угла для границы раздела (обычно около 82° для оптических волокон), свет без потерь отражается обратно в падающую среду в результате процесса, известного как полное внутреннее отражение (рис. 3).
Рис. 3. Полное внутреннее отражение позволяет свету оставаться внутри сердцевины волокна.
Посмотрите видео с определением полного внутреннего отражения.
Моды
Когда свет распространяется по волокну (как микроволны распространяются по волноводу), фазовые сдвиги возникают на каждой отражающей границе. Существует конечное дискретное число путей вниз по оптическому волокну (известных как моды), которые производят конструктивные (фазовые и, следовательно, аддитивные) фазовые сдвиги, которые усиливают передачу.
Поскольку каждая мода возникает под разным углом к оси волокна по мере прохождения луча по длине, каждая мода проходит по волокну разную длину от входа к выходу. Только одна мода, мода нулевого порядка, распространяется по длине волокна без отражений от боковых стенок. Это известно как одномодовое волокно. Фактическое количество мод, которые могут распространяться в данном оптическом волокне, определяется длиной волны света, диаметром и показателем преломления сердцевины волокна.
Затухание
Сигналы теряют мощность при распространении по волокну; это известно как затухание луча. Затухание измеряется в децибелах (дБ) по соотношению:
, где P в и P на выходе относятся к оптической мощности, входящей в волокно и выходящей из него. В таблице ниже показана мощность, обычно теряемая в волокне для нескольких значений затухания в децибелах.
Затухание оптического волокна зависит от длины волны. На крайних точках кривой пропускания преобладает многофотонное поглощение.
Затухание обычно выражается в дБ/км на определенной длине волны. Типичные значения варьируются от 10 дБ/км для волокон со ступенчатым показателем преломления на длине волны 850 нм до нескольких десятых дБ/км для одномодовых волокон на длине волны 1550 нм.
Существует несколько причин затухания в оптическом волокне: • Рэлеевское рассеяние — Микроскопические изменения показателя преломления материала сердцевины могут вызвать значительное рассеяние в луче, что приведет к существенным потерям оптической мощности. Рэлеевское рассеяние зависит от длины волны и менее значимо на более длинных волнах. Это самый важный механизм потерь в современных оптических волокнах, на который обычно приходится до 90% любых потерь.
• Поглощение — современные методы производства снижают поглощение, вызванное примесями (в первую очередь водой в волокне), до очень низкого уровня. В пределах полосы пропускания волокна потери на поглощение незначительны.
• Изгиб — производственные методы могут привести к незначительным изгибам геометрии волокна.
Иногда эти изгибы будут достаточно большими, чтобы заставить свет внутри сердцевины падать на границу раздела сердцевина/оболочка под углом меньше критического, так что свет теряется в материале оболочки. Это также может произойти, когда волокно изгибается по маленькому радиусу (менее, скажем, нескольких сантиметров). Чувствительность к изгибу обычно выражается в виде потерь дБ/км для определенного радиуса изгиба и длины волны.
Рис. 4. Числовая апертура зависит от угла, под которым лучи входят в волокно, и от диаметра сердцевины волокна.
Числовая апертура
Числовая апертура (NA), показанная на рис. 4, представляет собой меру максимального угла, под которым световые лучи входят и проходят по волокну. Это представлено следующим уравнением:
Дисперсия
По мере прохождения оптических импульсов по длине волокна они расширяются или удлиняются во времени.
Это называется дисперсией. Поскольку импульсы в конечном итоге станут настолько рассогласованными, что начнут накладываться друг на друга и искажать данные, дисперсия устанавливает верхний предел возможностей передачи данных по волокну. Есть три основные причины такого расширения:
• Хроматическая дисперсия — длины волн разной длины распространяются по волокну с разной скоростью. Поскольку типичные источники света обеспечивают мощность по ряду или диапазону длин волн, а не по одной дискретной спектральной линии, импульсы должны распространяться по длине волокна по мере их прохождения. Высокоскоростные лазеры, используемые в средствах связи, имеют очень узкие спектральные характеристики, что значительно снижает эффект хроматической дисперсии.
• Модальная дисперсия — Различные моды волокна отражаются под разными углами по мере прохождения по волокну. Поскольку каждый модальный угол создает несколько разную длину пути для луча, моды более высокого порядка достигают выходного конца волокна позади мод более низкого порядка.
• Волноводная дисперсия — эта незначительная причина дисперсии связана с геометрией волокна и приводит к различным скоростям распространения для каждой из мод.
Полоса пропускания
Полоса пропускания измеряет пропускную способность оптического волокна и выражается как произведение частоты данных и пройденного расстояния (обычно МГц-км или ГГц-км). Например, волокно с полосой пропускания 400 МГц-км может передавать 400 МГц на расстояние 1 км или 20 МГц данных на 20 км. Основным ограничением полосы пропускания является уширение импульса, возникающее в результате модовой и хроматической дисперсии волокна. Типичные значения для различных типов волокна следующие:
Передача энергии
Количество энергии, которую может передать волокно (без повреждения), обычно выражается в терминах максимально допустимой плотности мощности. Плотность мощности является произведением максимальной выходной мощности лазера и площади лазерного луча.
Например, лазерный луч мощностью 15 Вт, сфокусированный на пятно диаметром 150 мкм, дает плотность мощности
Выход импульсного лазера (обычно указывается в миллиджоулях энергии на импульс) должен быть сначала преобразован в мощность на импульс. . Например, импульсный лазер, производящий 50 мДж в импульсе длительностью 10 нс, обеспечивает выходную мощность
По размеру пятна можно рассчитать плотность мощности.
Для передачи по волокну абсолютных максимальных уровней энергии торцы волокна должны быть абсолютно гладкими и отполированными и располагаться перпендикулярно оси волокна и световому лучу. Кроме того, диаметр луча не должен превышать примерно половины площади сердечника (или диаметра сердечника). Если луч не сфокусирован должным образом, часть энергии может попасть в оболочку, что быстро может повредить кварцевые волокна, покрытые полимером. По этой причине лучше использовать кварцевые волокна, покрытые диоксидом кремния, в приложениях с более высокой удельной мощностью.
Типы волокна
В основном существует три типа оптического волокна: одномодовое, многомодовое с градиентным показателем преломления и многомодовое ступенчатое преломление. Они характеризуются тем, как свет распространяется по волокну, и зависят как от длины волны света, так и от механической геометрии волокна. Примеры того, как они распространяют свет, показаны на рисунке 5.
Рисунок 5. Режимы передачи по волокну.
Однорежимный
По одномодовому волокну передается только основная мода нулевого порядка. Световой луч проходит прямо через волокно, совершенно не отражаясь от боковых стенок оболочки сердцевины. Одномодовое волокно характеризуется значением отсечки длины волны, которое зависит от диаметра сердцевины, числовой апертуры и рабочей длины волны. Ниже длины волны отсечки могут также распространяться моды более высокого порядка, что изменяет характеристики волокна.
Поскольку одномодовое волокно распространяет только основную моду, устраняется модовая дисперсия (основная причина перекрытия импульсов). Таким образом, пропускная способность одномодового волокна намного выше, чем у многомодового волокна. Это просто означает, что импульсы могут передаваться намного ближе друг к другу во времени без перекрытия. Из-за этой более высокой пропускной способности одномодовые волокна используются во всех современных системах связи дальнего действия. Типичные диаметры сердцевины составляют от 5 до 10 мкм.
Фактическое количество мод, которые могут распространяться по волокну, зависит от диаметра сердцевины, числовой апертуры и длины волны передаваемого света. Их можно объединить в параметр нормализованной частоты или число V ,
, где a — радиус сердцевины, λ — длина волны, а n — индекс сердцевины и оболочки. Условие для работы в одномодовом режиме:
Возможно, более важной и полезной является длина волны отсечки.
Это длина волны, ниже которой волокно допускает распространение нескольких мод, и может быть выражена как:Обычно выбирают волокно с длиной волны отсечки, немного меньшей желаемой рабочей длины волны. Для лазеров, обычно используемых в качестве источников (с выходной длиной волны от 850 до 1550 нм), диаметр сердцевины одномодового волокна находится в диапазоне от 3 до 10 мкм.
Многомодовый градуированный индекс
Диаметр сердцевины многомодового волокна намного больше, чем у одномодового волокна. В результате также распространяются моды более высокого порядка.
Сердцевина волокна с плавным изменением показателя преломления имеет показатель преломления, который непрерывно уменьшается в радиальном направлении от центра к границе раздела оболочки. В результате свет распространяется быстрее на краю ядра, чем в центре. Различные виды транспорта движутся по криволинейным траекториям с почти одинаковым временем в пути. Это значительно снижает модовую дисперсию в волокне.
В результате волокна с плавным профилем имеют пропускную способность, которая значительно больше, чем у волокон со ступенчатым профилем, но все же намного меньше, чем у одномодовых волокон. Типичные диаметры сердцевины волокон с градуированным показателем преломления составляют 50, 62,5 и 100 мкм. В основном волокна с градуированным показателем преломления используются в средствах связи средней дальности, таких как локальные сети.
Многомодовый ступенчатый показатель преломления
Сердцевина волокна со ступенчатым показателем преломления имеет одинаковый показатель преломления вплоть до границы раздела оболочки, где показатель преломления изменяется ступенчато. Поскольку разные моды в волокне со ступенчатым показателем преломления проходят разную длину пути по волокну, расстояния передачи данных должны быть короткими, чтобы избежать значительных проблем модовой дисперсии.
Волокна со ступенчатым индексом доступны с диаметром сердцевины от 100 до 1500 мкм.
Они хорошо подходят для приложений, требующих высокой плотности мощности, таких как медицинские и промышленные лазеры.
Анатомия кабеля – оптическое волокно
Оптоволоконная связь восходит к Александру Грэму Беллу. В 1880 году он создал фотофон, который позволял передавать звук по лучу света. В том же году Белл провел первую в мире беспроводную телефонную передачу на расстояние 200 метров.
В государственном секторе AV-индустрии большое внимание уделяется использованию оптического волокна из-за его способности предотвращать или, по крайней мере, сдерживать вторжение в систему безопасности. Оптическое волокно также устраняет некоторые другие проблемы, присущие кабелю с витой парой, такие как перекрестные помехи на ближнем конце (NEXT) и электромагнитные помехи (EMI).
Хотя сам оптоволоконный кабель дешевле, чем медный кабель эквивалентной длины, соединители оптоволоконного кабеля и оборудование, необходимое для их установки, обычно дороже, чем их медные аналоги.
Однако в связи с повышенным вниманием к защите цифровой информации оптическое волокно за последние несколько лет стало более конкурентоспособным по стоимости.
Способность оптоволоконного кабеля удовлетворять растущие потребности государственных конечных пользователей AV/IT — хороший повод для интеграторов узнать о нем немного больше. Вот взгляд на анатомию оптоволоконного кабеля.
Базовая конструкция оптоволоконного кабеля
Волоконно-оптический кабель состоит из пяти основных компонентов: сердцевины, оболочки, покрытия, укрепляющих волокон и оболочки кабеля.
- Базовая конструкция оптоволоконного кабеля
Ядро: Это физический носитель, передающий оптические сигналы от подключенного источника света к принимающему устройству. Сердцевина представляет собой единую непрерывную нить из высокочистого стекла или пластика, диаметр которой измеряется в микронах (меньше диаметра человеческого волоса). Чем больше сердечник, тем больше света может нести кабель, что коррелирует с более высокой скоростью передачи данных.
Оболочка: Это тонкий слой, который экструдируется поверх сердцевины и служит границей, содержащей световые волны (подробнее об этом позже), позволяя данным проходить по всей длине волокна.
Покрытие: Это пластиковое покрытие поверх оболочки для усиления сердцевины волокна, помогает поглощать удары и обеспечивает дополнительную защиту от чрезмерного изгиба кабеля. Однако это не оказывает никакого влияния на свойства оптического волновода.
Усиливающие волокна: Эти компоненты помогают защитить сердцевину от сдавливающих сил и чрезмерного натяжения во время установки. Материалы могут варьироваться от кевлара® до проволочных прядей и заполненных гелем рукавов. Иногда между волокнами добавляют светопоглощающее («темное») стекло, чтобы предотвратить попадание света, выходящего из одного волокна, в другое. Это уменьшает перекрестные помехи между волокнами.
Оболочка кабеля: Это внешний слой или оболочка кабеля. Его цель — защитить кабель от опасностей окружающей среды, таких как строительные работы, рыболовные снасти и даже акулы, которых часто привлекают электрические поля, создаваемые сигнальными проводниками к ретрансляторам.
Многомодовое и одномодовое волокно
Основное различие между многомодовым и одномодовым оптическим волокном заключается в том, что многомодовое волокно имеет больший диаметр сердцевины, обычно 50–100 микрометров; что намного больше, чем длина волны света, переносимого внутри него. Большая сердцевина позволяет передавать несколько световых лучей или мод (модальностей) одновременно, каждый под немного другим углом отражения внутри сердцевины оптического волокна. С практической точки зрения, больший размер сердечника упрощает соединения, а также позволяет использовать более дешевую электронику, такую как светодиоды (LED) и лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL).
- Многомодовая оптоволоконная передача
Однако многомодовая оптоволоконная передача используется для относительно коротких расстояний, поскольку на больших расстояниях моды имеют тенденцию рассеиваться/искажаться, что приводит к нечеткой и неполной передаче данных. Для больших расстояний используется одномодовое волокно (иногда называемое одномодовым), поскольку оно не ограничено модовой дисперсией.
Благодаря своей высокой пропускной способности и надежности многомодовое оптическое волокно в основном используется для связи на короткие расстояния, например, внутри здания или на территории кампуса. Типичные пределы скорости передачи и расстояния составляют 100 Мбит/с для расстояний до 2 км, 1 Гбит/с до 1000 м и 10 Гбит/с до 500 м.
Полоса пропускания может быть дополнительно увеличена за счет использования мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM), технологии, которая мультиплексирует («мультиплексирует») ряд оптических несущих сигналов в одно оптическое волокно с использованием различных длин волн (т. е. цветов) лазерного излучения. Этот метод обеспечивает двунаправленную связь по одному волокну, а также увеличивает пропускную способность.
Система WDM использует мультиплексор на передатчике для объединения сигналов и демультиплексор на приемнике для их разделения. При правильном типе волокна можно получить устройство, которое выполняет обе функции одновременно.
Современные системы WDM могут обрабатывать до 160 и более сигналов и могут расширить систему со скоростью 10 Гбит/с по одной оптоволоконной паре до более чем 1,6 Тбит/с.
Как работает оптоволоконная передача
Световые лучи модулируются в цифровые импульсы с помощью лазера или светодиода и перемещаются по сердцевине, не проникая через оболочку. Свет остается ограниченным ядром, потому что оболочка имеет более низкий показатель преломления, который является мерой способности материала преломлять свет.
Это приводит к явлению полного внутреннего отражения (ПВО), которое возникает, когда распространяющаяся волна сталкивается с границей между двумя средами (в данном случае сердцевиной и оболочкой) под углом, превышающим критический угол волокна. Если на другой стороне границы (оболочке) показатель преломления ниже, а угол падения больше критического угла, волна не может пройти и полностью отражается.
- Полное внутреннее отражение (ПВО)
Критический угол θ c определяется законом Снеллиуса, который гласит, что «отношение синусов углов падения и преломления эквивалентно обратному отношению показателей преломления».
Преобразуя закон Снеллиуса, угол падения можно рассчитать как:
Чтобы найти критический угол, мы вычисляем значение для θ0087, когда θ t = 90°, что означает, что sin θ t = 1 (90° — абсолютный максимальный угол передачи). Находя θ i , мы приходим к следующему уравнению:
Например, рассмотрим луч света, движущийся из воды в воздух. Показатели преломления воды и воздуха примерно равны 1,333 и 1 соответственно, поэтому, вычисляя критический угол, получаем:
Следовательно, угол падения должен быть больше 48,6°, чтобы в нашем пример.
Затухание сигнала
Затухание сигнала в оптическом волокне измеряется в децибелах (дБ). Спецификации оптоволоконного кабеля выражают потери как затухание на 1 км длины (дБ/км). Это значение умножается на общую длину оптического волокна в километрах, чтобы определить общие потери в волокне в дБ.
Свет, распространяющийся по оптическому волокну, не эффективен на 100%; Существует несколько причин затухания сигнала.
Потери мощности также зависят от длины волны света и распространяющегося материала. Для кварцевого стекла более короткие волны ослабляются больше всего. Наименьшие потери происходят на длине волны 1550 нм, которая обычно используется для передачи на большие расстояния.
Потери, присущие волокну: Потери света в волокне, которые невозможно устранить в процессе изготовления, связаны с примесями в стекле и поглощением света на молекулярном уровне. Потеря света из-за изменений оптической плотности, состава и молекулярной структуры называется рэлеевским рассеянием. Лучи света, сталкиваясь с этими вариациями и примесями, рассеиваются во многих направлениях и теряются.
Поглощение света на молекулярном уровне в волокне в основном связано с загрязняющими веществами в стекле, такими как молекулы воды. Попадание молекул воды в оптическое волокно является одним из основных факторов, способствующих увеличению затухания волокна по мере его старения. Кварцевое стекло (Si0 2 ) молекулярно-резонансное поглощение также способствует некоторым потерям света.
Потери в результате изготовления волокна: Несоответствия в процессе производства волокна приведут к потере света. Например, изменение диаметра сердечника на 0,1 % может привести к потерям в 10 дБ на километр. При производстве волокна должны соблюдаться точные допуски, чтобы свести к минимуму потери.
Потери при сварке: Потери при сварке происходят во всех точках сварки. Механические соединения обычно имеют самые высокие потери, обычно в диапазоне от 0,2 до более 1,0 дБ, в зависимости от типа соединения. Сварные соединения имеют меньшие потери, обычно менее 0,1 дБ. Потери в 0,05 дБ или менее обычно достигаются с помощью хорошего оборудования и опытного персонала. Высокие потери могут быть связаны с рядом факторов, в том числе:
- Плохой раскол
- Смещенные жилы оптоволокна
- Воздушный зазор
- Загрязнение
- Несоответствие показателя преломления
- Несоответствие диаметра сердцевины
Потери в разъеме: Потери в оптоволоконных разъемах обычно составляют от 0,25 до более 1,5 дБ и сильно зависят от типа используемого разъема.
К другим факторам, способствующим потере соединения, относятся:
- Грязь или загрязнения на разъеме (очень часто)
- Неправильная установка разъема
- Поврежденные поверхности разъема
- Плохой раскол
- Смещенные жилы оптоволокна
- Несоответствие показателя преломления
Потери на изгибе: Потери на изгибе возникают при изгибах оптоволоконного кабеля, которые меньше минимального радиуса изгиба кабеля. Потери на изгибе также могут возникать в меньшем масштабе из-за таких факторов, как:
- Крутые изгибы сердцевины волокна
- Смещения в несколько миллиметров или менее, вызванные дефектами буфера или кожуха
- Неправильный монтаж
Эти потери световой мощности, называемые микроизгибами, могут составлять значительную сумму на большом расстоянии, вплоть до 2 дБ/км для многомодового волокна. Например, при таком уровне затухания, если свет проходит по кабелю более 10 км (без усиления), только 10% сигнала доходит до приемного конца.
Френелевское отражение: Френелевское отражение происходит на любой световой границе, где изменяется показатель преломления, в результате чего часть падающего светового луча отражается обратно в первую среду. Например, если на конце волокна есть какой-либо воздушный зазор, то часть света, проходящего из воздуха в сердцевину, около 4%, отражается обратно в воздух, а не проходит/преломляется в сердцевину. Отражаемую сумму можно рассчитать по следующей формуле:
В сочетании с ответными разъемами или механическими соединениями можно использовать материал с соответствующим индексом для уменьшения отраженного сигнала на границах. Материал обычно представляет собой жидкость, цемент (адгезив) или гель, который имеет показатель преломления, близкий к показателю сердцевины волокна. Без использования материала, соответствующего показателю преломления, отражения Френеля будут возникать на концах волокна, если нет границы раздела волокно-воздух или другого значительного несоответствия показателей преломления.