Single-mode en multimode optische vezels. Single-mode kwarts optische vezel

Het principe van datatransmissie via glasvezelkabel

Zoals u weet, worden alle gegevens op een computer weergegeven in de vorm van nullen en enen. Alle standaardkabels verzenden binaire gegevens met behulp van elektrische impulsen. En alleen glasvezelkabel verzendt, volgens hetzelfde principe, gegevens met behulp van lichtpulsen. De lichtbron verzendt data over een glasvezel “kanaal”, en de ontvangende partij moet de ontvangen data omzetten naar het gewenste formaat.

Het optische transmissiekanaal bestaat uit een zender, een lichtgeleidende optische vezel en een ontvanger.

Er zijn twee soorten glasvezelkabels:

-multimodus, of multimode kabel, goedkoper, maar van lagere kwaliteit ( MM);

-enkele modus kabel, duurder, maar heeft beste eigenschappen (S.M.).

De belangrijkste verschillen tussen deze typen houden verband met de verschillende vormen van doorgang van lichtstralen in de kabel.

Single-mode kabel heeft een centrale vezeldiameter van 3 - 10 micron. Voor datatransmissie wordt licht met golflengten van 1300 en 1500 nm gebruikt. De spreiding en het signaalverlies bij deze frequenties zijn zeer klein, waardoor signalen over een veel grotere afstand kunnen worden verzonden dan bij multimode-kabel. De lengte van een single-mode kabel kan echter oplopen tot 80 km.

In een multimode kabel hebben de trajecten van lichtstralen een merkbare spreiding, waardoor de signaalvorm aan het ontvangende uiteinde van de kabel wordt vervormd (figuur). De centrale vezel heeft een diameter van 62,5 µm en de buitendiameter van de bekleding is 125 µm (dit wordt ook wel 62,5/125 genoemd). De toegestane kabellengte bedraagt ​​2-5 km.

Om gegevens te verzenden, is aan het ene uiteinde van de optische vezel een zender-emitter geïnstalleerd en aan het andere uiteinde een fotoontvanger. Er worden dus tegelijkertijd twee vezels gebruikt, waarvan de ene gegevens verzendt en de andere ontvangt. Het ontvangen optische signaal wordt omgezet in een elektrisch signaal met behulp van speciale apparaten - mediaconverters (Fig. 107), die poorten hebben voor het aansluiten van optische vezels en twisted pair-kabels. Mediaconverters kunnen worden ontworpen als modules die rechtstreeks in de schakelaarsleuf worden gestoken, zoals weergegeven in Afb.

IN de laatste tijd Om het aantal vezels te besparen (en ook om apparatuur aan te sluiten), is golflengtemultiplexing (WDM, Golfverdelingsmultiplexing): op de ene golflengte zenden ze een signaal in de ene richting uit, op de andere - in de tegenovergestelde richting. Hiervoor worden transceivers met ingebouwde WDM en één glasvezelconnector gebruikt. Aan weerszijden van de lijn zijn verschillende soorten zendontvangers geïnstalleerd: één zender heeft een golflengte van 1300 nm, de ontvanger heeft een golflengte van 1550 nm; de ander heeft het tegenovergestelde.

Multimode glasvezel bestaat op zijn beurt in twee soorten: getrapte en gradiëntprofielen brekingsindex langs de dwarsdoorsnede.

Afb.1 Singlemode en multimode optische vezel

Ondanks enorme variëteit glasvezelkabels, de vezels daarin zijn vrijwel hetzelfde. Bovendien zijn er veel minder vezelfabrikanten (Corning, Lucent en Fujikura zijn de bekendste) dan kabelfabrikanten.

Op basis van het type ontwerp, of beter gezegd de grootte van de kern, worden optische vezels verdeeld in single-mode (OM) en multimode (MM). Strikt genomen moeten deze concepten worden gebruikt in relatie tot de specifieke golflengte die wordt gebruikt, maar na het bekijken van figuur 8.2 wordt het duidelijk dat hiermee in het huidige stadium van de technologieontwikkeling geen rekening kan worden gehouden.

Rijst. 8.3. Singlemode en multimode optische vezels

In het geval van multimode glasvezel is de kerndiameter (typisch 50 of 62,5 µm) bijna twee ordes van grootte groter dan de golflengte van het licht. Dit betekent dat licht zich langs verschillende onafhankelijke paden (modi) in de vezel kan verplaatsen. Tegelijkertijd is het duidelijk dat verschillende mode hebben verschillende lengtes, en het signaal bij de ontvanger zal in de loop van de tijd merkbaar “verspreid” worden.

Hierdoor is het leerboektype getrapte vezels (optie 1), met een constante brekingsindex ( constante dichtheid) over de gehele dwarsdoorsnede van de kern, is lange tijd niet gebruikt vanwege de grote modusspreiding.

Het werd vervangen door gradiëntvezel (optie 2), die een ongelijkmatige dichtheid van het kernmateriaal heeft. De figuur laat duidelijk zien dat de padlengten van de stralen sterk worden verminderd als gevolg van afvlakking. Hoewel stralen die verder van de vezelas reizen grotere afstanden afleggen, hebben ze ook een hogere voortplantingssnelheid. Dit gebeurt vanwege het feit dat de dichtheid van het materiaal van het midden naar de buitenradius afneemt volgens een parabolische wet. En de lichtgolf plant zich sneller voort, hoe lager de dichtheid van het medium.

Als gevolg hiervan worden langere trajecten gecompenseerd door een grotere snelheid. Met een succesvolle selectie van parameters kan het verschil in voortplantingstijd worden geminimaliseerd. Dienovereenkomstig de modusspreiding gradiënt vezel zal veel minder zijn dan die van een vezel met een constante kerndichtheid.

Hoe gebalanceerd de multimode-vezels ook zijn, dit probleem kan echter alleen volledig worden geëlimineerd door vezels met een voldoende kleine kerndiameter te gebruiken. Waarbij, op de juiste golflengte, één enkele straal zich zal voortplanten.

In werkelijkheid zijn vezels met een kerndiameter van 8 micron gebruikelijk, wat vrij dicht in de buurt ligt van de algemeen gebruikte golflengte van 1,3 micron. Interfrequente spreiding blijft bestaan ​​bij een niet-ideale stralingsbron, maar de invloed ervan op signaaloverdracht is honderden keren kleiner dan intermodale of materiële spreiding. Dienovereenkomstig is de doorvoer van een single-mode kabel veel groter dan die van een multimode kabel.

Zoals vaak het geval is, heeft het vezeltype met hogere prestaties zijn nadelen. In de eerste plaats zijn dit natuurlijk hogere kosten vanwege de kosten van componenten en installatiekwaliteitseisen.

Tab. 8.1. Vergelijking van single-mode en multimode-technologieën.

Typen en soorten connectoren

Laten we afneembare verbindingen overwegen. Als de bereiklimiet van elektrische hogesnelheidslijnen op basis van twisted pair afhangt van de connectoren, dan zijn in glasvezelsystemen de extra verliezen die ze veroorzaken vrij klein. De verzwakking daarin is ongeveer 0,2-0,3 dB (of enkele procenten).

Daarom is het heel goed mogelijk om complexe topologienetwerken te creëren zonder het gebruik van actieve apparatuur, door vezels op conventionele connectoren te schakelen. De voordelen van deze aanpak zijn vooral merkbaar in korte maar uitgebreide last mile-netwerken. Het is erg handig om voor elk huis één paar vezels van de gemeenschappelijke ruggengraat af te leiden en de resterende vezels in een schakelkast "voor doorgang" te verbinden.

Wat is het belangrijkste bij een afneembare verbinding? Natuurlijk de connector zelf. De belangrijkste functies zijn het fixeren van de vezel in het centreersysteem (connector) en het beschermen van de vezel tegen mechanische en klimatologische invloeden.

De basisvereisten voor connectoren zijn als volgt:

· het introduceren van minimale verzwakking en terugreflectie van het signaal;

· minimale afmetingen en gewicht met hoge sterkte;

· langdurig gebruik zonder verslechtering van de parameters;

· installatiegemak op kabel (glasvezel);

· Gemakkelijk aan te sluiten en los te koppelen.

Tegenwoordig zijn er enkele tientallen soorten connectoren bekend, en er is geen enkele waarop de ontwikkeling van de industrie als geheel strategisch georiënteerd zou zijn. Maar het hoofdidee van alle ontwerpopties is eenvoudig en vrij voor de hand liggend. Het is noodzakelijk om de assen van de vezels nauwkeurig uit te lijnen en hun uiteinden stevig tegen elkaar te drukken (contact creëren).

Rijst. 8.6. Werkingsprincipe van pin-type glasvezelconnector

Het grootste deel van de connectoren wordt geproduceerd volgens een symmetrisch ontwerp, waarbij een speciaal element - een koppeling (connector) wordt gebruikt om de connectoren aan te sluiten. Het blijkt dat eerst de vezel wordt gefixeerd en gecentreerd in de punt van de connector, en dat vervolgens de uiteinden zelf in de connector worden gecentreerd.

Je kunt dus zien dat het signaal wordt beïnvloed door de volgende factoren:

· Interne verliezen - veroorzaakt door toleranties op geometrische afmetingen lichtgeleiders Dit is de excentriciteit en ellipticiteit van de kern, het verschil in diameters (vooral bij het verbinden van vezels verschillende soorten);

· Externe verliezen, die afhankelijk zijn van de kwaliteit van de connectoren. Ze ontstaan ​​als gevolg van radiale en hoekverplaatsing van de punten, niet-parallelisme van de eindoppervlakken van de vezels en de luchtspleet daartussen (Fresnel-verliezen);

· Omgekeerde reflectie. Ontstaat door de aanwezigheid van een luchtspleet (Fresnel-reflectie van de lichtstroom in de tegenovergestelde richting op het glas-lucht-glas-grensvlak). Volgens de TIA/EIA-568A-standaard is de terugreflectiecoëfficiënt genormaliseerd (de verhouding tussen het vermogen van de gereflecteerde lichtstroom en het vermogen van het invallende licht). Het mag niet slechter zijn dan -26 dB voor single-mode connectoren, en niet slechter dan -20 dB voor multimode;

· Vervuiling, die op zijn beurt zowel extern verlies als terugreflectie kan veroorzaken.

Er zijn twee soorten kabels in glasvezelcommunicatielijnen. Namelijk: multimode glasvezelkabel en dus singlemode.

Zoals de naam al doet vermoeden, laat een single-mode-kabel volgens de architectuur niet meer dan één straal (een modus) door. Het verschil tussen single-mode en multimode optische kabels ligt dus in de manier waarop optische straling er doorheen gaat. De grootte van de vezelkern is het belangrijkste kenmerk dat van invloed kan zijn op de vraag of u een single-mode optische kabel of een andere koopt.

De kleinere diameter van de kern zorgt voor een lagere modusspreiding en als gevolg daarvan voor de mogelijkheid om informatie over lange afstanden te verzenden zonder het gebruik van routers, repeaters en repeaters. Negatieve factor is dat single-mode glasvezel- en elektronische componenten die zorgen voor de transmissie, ontvangst en transformatie van gegevens, en die de technische kenmerken van optische kabels op het juiste niveau houden, erg duur zijn.

Wat de specifieke afmetingen betreft, heeft single-mode glasvezel een zeer dunne kern, met een diameter van 10 micron of minder. Bandbreedte kabel varieert van 10 Gbit en hoger.

Multimode optische kabel

In tegenstelling tot een single-mode kabel laat een multimode kabel een zoveelste aantal modi door. Zo'n geleider kan meer dan één onafhankelijke lichtpad bevatten. De grootte van de kerndiameter zorgt er echter voor dat er licht uit komt waarschijnlijker zal worden gereflecteerd door het oppervlak van de buitenste schil van de kern, en dit vergroot op zijn beurt de modusspreiding. Bundelverstrooiing in de kabel leidt tot een verkleining van de signaaloverdrachtsafstand en de noodzaak om het aantal repeaters te vergroten.

Elke ingenieur die het glasvezelontwerp heeft voltooid, krijgt daardoor een dataoverdrachtsnelheid van 2,5 Gbit in het netwerk. Opnieuw rijst de vraag: “Als ik een glasvezelkabel koop, welke moet ik dan kiezen?” Het hangt allemaal af van technische indicatoren en de vereiste kwaliteit van communicatie. U kunt bijvoorbeeld een optische kabel met 8 vezels aanschaffen. In een dergelijke geleider bevinden zich, zoals aangegeven, 8 vezels, die zich in de centrale module bevinden.

Het is tegenwoordig niet zo eenvoudig om iemand te verrassen met glasvezel in uw huis, werk of zelfs appartement. Datatransmissietechnologieën via glasvezelcommunicatielijnen verspreiden zich met enorme snelheid. De installatie van zowel nieuwe optische kabels als de modernisering om bestaande koperkabels (verouderde DSL-technologie) te vervangen door optische kabels, is voortdurend aan de gang.

We horen vaak vragen over glasvezelcommunicatielijnen. In dit artikel wil ik een van de veelgestelde vragen beantwoorden over het verschil tussen single-mode en multimode optische kabels in eenvoudige woorden, begrijpelijk voor de eindgebruiker.

Dus wat is mode en wat betekent het? Modi zijn de soorten elektromagnetische oscillaties die zich voortplanten in een optische vezel. Elke modus heeft zijn eigen fase- en groepssnelheid. Groepssnelheid verwijst naar de snelheid van energieoverdracht, en fasesnelheid verwijst naar de bewegingssnelheid van de golffase. Als we het voorbeeld van het gewone nemen elektromagnetische golven, dan zijn zowel de fase- als de groepssnelheden gelijk aan de lichtsnelheid, maar in een glasvezelkabel verschillen de snelheden en zijn ze afhankelijk van de frequentie van de golfoscillaties, van de diameter van de vezel en van de materialen waaruit de kabel bestaat. is gemaakt. Het is vanwege deze combinaties van kabeleigenschappen dat verstrooiing (modusdispersie) optreedt.

Op basis van de definitie van de modus maakt MultiMode MM-glasvezel het mogelijk om meerdere lichtsignalen te leveren. Single-mode (SingleMode MM) - laat slechts één signaal er doorheen.

Het lijkt erop dat multimode glasvezel een voordeel heeft ten opzichte van singlemode glasvezel, maar dit is slechts op het eerste gezicht het geval. Multimode heeft een belangrijk nadeel: hoge modusspreiding.

De vezelkerndiameter van een multimode-kabel is 50 micron of meer. Door deze breedte kunnen verschillende modi in één vezel worden ingevoerd, maar wordt ook de kans op lichtreflectie vanaf het buitenoppervlak van de kern vergroot, wat signaalverzwakking veroorzaakt. Dienovereenkomstig, om een ​​signaal te sturen naar lange afstanden het gebruik van een dergelijke kabel is alleen mogelijk als het aantal repeaters wordt vergroot, wat de kosten van het project aanzienlijk zal verhogen. De gegevensoverdrachtsnelheid bedraagt ​​2,5 Gb/s

Voor een single-mode kabel is de kerndiameter 10 micron of minder. In een vezel met deze diameter wordt de kans op verspreiding aanzienlijk verminderd, waardoor gegevens over lange afstanden kunnen worden verzonden. Single-mode glasvezel maakt gegevensoverdracht mogelijk met een snelheid van 10 Gb/s. Maar tegelijkertijd zijn single-mode kabel- en schakelapparatuur daarvoor duurder. Ook zijn de lasverbindingen van een single-mode gevoeliger voor de laskwaliteit.

Waar en welke vezels kan ik het beste gebruiken? Meestal wordt multimode optische vezel gebruikt om te organiseren kleine maten binnen een gebouw of aangrenzende gebouwen (ongeveer 500 meter). met single-mode vezels worden gebruikt om afgelegen gebouwen met elkaar te verbinden, bijvoorbeeld om een ​​videobewakingssysteem binnen een wijk, stad of zelfs een snelweg (1000 meter of meer) te organiseren.

Glasvezelkabel(ook bekend als glasvezelkabel) is een fundamenteel ander type kabel vergeleken met de twee soorten elektrische of koperen kabel. Informatie ervan wordt niet verzonden door een elektrisch signaal, maar door een licht signaal. Het belangrijkste element is transparant glasvezel, waardoor licht over grote afstanden (tot tientallen kilometers) gaat met een onbeduidende demping.

Rijst. 1. Optische vezel. Structuur

De structuur van een glasvezelkabel is heel eenvoudig en vergelijkbaar met de structuur van een coaxiale elektrische kabel (Fig. 1). Alleen in plaats van een centrale koperen geleider wordt hier dunne (met een diameter van ongeveer 1 - 10 halfdonkere) glasvezel (3) gebruikt, en in plaats van interne isolatie- glazen of plastic schaal (2), waardoor er geen licht buiten de glasvezel kan ontsnappen. In dit geval waar we het over hebben over het zogenaamde volledige regime interne reflectie licht van de grens van twee stoffen met verschillende breukcoëfficiënten (de glazen schaal heeft een veel lagere breukcoëfficiënt dan de centrale vezel). Er zit meestal geen metalen vlechtwerk op de kabel omdat afscherming tegen externe elektromagnetische interferentie niet nodig is. Soms wordt het echter nog steeds gebruikt mechanische bescherming uit de omgeving (een dergelijke kabel wordt ook wel een gewapende kabel genoemd; hij kan meerdere glasvezelkabels onder één mantel combineren).

Glasvezelkabel heeft uitzonderlijke kenmerken voor de veiligheid en geheimhouding van verzonden informatie. In principe kunnen geen externe elektromagnetische obstakels het lichtsignaal vervormen, en het signaal zelf genereert geen extern signaal elektromagnetische straling. Het is vrijwel onmogelijk om dit type kabel aan te sluiten voor het ongeoorloofd afluisteren van het netwerk, omdat dit de integriteit van de kabel in gevaar zou brengen. Theoretisch bereikt de bandbreedte van een dergelijke kabel 10-12 Hz, dat wil zeggen 1000 GHz, wat onvergelijkbaar hoger is dan die van elektrische kabels. De kosten van glasvezelkabel dalen voortdurend en zijn momenteel ongeveer gelijk aan de kosten van dunne coaxkabel.

Typische hoeveelheid signaalverzwakking in glasvezelkabels bij frequenties die worden gebruikt in lokale netwerken, varieert van 5 tot 20 dB/km, wat ongeveer overeenkomt met de prestaties van elektrische kabels bij lage frequenties. Maar in het geval van een glasvezelkabel neemt de verzwakking heel licht toe naarmate de frequentie van het verzonden signaal toeneemt, en bij hoge frequenties (vooral boven 200 MHz) is het voordeel ten opzichte van een elektrische kabel onweerlegbaar; .

Nadelen van glasvezelkabel

De belangrijkste daarvan is de hoge complexiteit van de installatie (met installatie van glasvezelkabel micronprecisie is vereist bij scheiding; verzwakking bij scheiding hangt sterk af van de nauwkeurigheid van de glasvezel en de mate van polijsten ervan). Om scheidingen aan te brengen, wordt lassen of lijmen gebruikt met behulp van een speciale gel, die dezelfde lichtbreekcoëfficiënt heeft als glasvezel. Hiervoor is in ieder geval hooggekwalificeerd personeel nodig speciaal gereedschap. Daarom wordt glasvezelkabel meestal verkocht in de vorm van voorgesneden stukken van verschillende lengtes, waarbij aan beide uiteinden al scheiders zijn geïnstalleerd. het juiste type. Het is de moeite waard eraan te denken dat een ontkoppelingsinstallatie van slechte kwaliteit de toegestane kabellengte als gevolg van verzwakking sterk vermindert.

Je moet ook niet vergeten dat het gebruik van glasvezelkabel speciale optische ontvangers en zenders vereist die lichtsignalen in elektrische signalen omzetten en weer terug, wat soms de kosten van het netwerk als geheel aanzienlijk verhoogt.

Glasvezelkabels maken vertakking van signalen mogelijk (voor dit doel worden speciale passieve verdelers geproduceerd ( koppels) voor 2-8 kanalen), maar in de regel worden ze gebruikt om gegevens in slechts één richting tussen één zender en één ontvanger te verzenden. Elke vertakking verzwakt immers onvermijdelijk het lichtsignaal aanzienlijk, en als er veel vertakkingen zijn, bereikt dat licht eenvoudigweg niet het einde van het netwerk. Daarnaast hebben distributeurs ook interne verliezen, dus totaal vermogen Het uitgangssignaal is kleiner dan het ingangsvermogen.

Glasvezelkabel is minder sterk en flexibel dan elektrische kabel. De typische toegestane buigradius is ongeveer 10 - 20 cm, bij kleinere buigradiussen kan de centrale vezel breken. Verdraagt ​​geen kabel- en mechanische uitrekking, evenals verpletterende invloeden.

Gevoelige glasvezelkabel en ioniserende straling, waardoor de transparantie van de glasvezel afneemt, dat wil zeggen de signaalverzwakking toeneemt . Plotselinge temperatuurschommelingen hebben er ook een negatief effect op en de glasvezel kan barsten.

Glasvezelkabel wordt alleen gebruikt in netwerken met een ster- en ringtopologie. Er zijn in dit geval geen matching- of aardingsproblemen. De kabel zorgt voor een ideale galvanische isolatie van netwerkcomputers. In de toekomst zal dit type kabel waarschijnlijk uit de weg gaan elektrische kabels of zal deze in ieder geval grotendeels verdringen. De kopervoorraden op aarde raken op, maar er zijn nog voldoende grondstoffen voor de glasproductie.

Soorten glasvezelkabels

1. multimode of multimode kabel, goedkoper, maar van lagere kwaliteit;
2. enkele modus kabel, duurder, maar heeft betere eigenschappen vergeleken met de eerste.

De essentie van de discrepantie tussen de twee typen komt neer op verschillende manieren van doorgang van lichtstralen in de kabel.

Rijst. 2. Lichtvoortplanting in een single-mode kabel

In een single-mode kabel reizen vrijwel alle stralen hetzelfde pad, waardoor ze tegelijkertijd de ontvanger bereiken en de signaalvorm vrijwel niet wordt vervormd (Fig. 2). Een single-mode kabel heeft een centrale vezeldiameter van ongeveer 1,3 micron en laat alleen licht door op dezelfde golflengte (1,3 micron). De spreiding en het signaalverlies zijn zeer klein, waardoor signalen over een veel grotere afstand kunnen worden verzonden dan bij een multimode kabel. Voor single-mode kabels worden lasertransceivers gebruikt, die uitsluitend licht gebruiken met de vereiste golflengte. Dergelijke zendontvangers zijn nog steeds relatief duur en niet duurzaam. In de toekomst zou single-mode kabel echter het belangrijkste type moeten worden vanwege de uitstekende eigenschappen ervan. Bovendien zijn lasers sneller dan conventionele LED's. De signaalverzwakking in een single-mode kabel bedraagt ​​ongeveer 5 dB/km en kan zelfs worden teruggebracht tot 1 dB/km.

Rijst. 3. Lichtvoortplanting in een multimode-kabel

In een multimode kabel hebben de trajecten van lichtstralen een merkbare spreiding, waardoor de signaalvorm aan het ontvangende uiteinde van de kabel wordt vervormd (Fig. 3). De centrale vezel heeft een diameter van 62,5 µm en de buitendiameter van de bekleding is 125 µm (dit wordt soms weergegeven als 62,5/125). De transmissie maakt gebruik van een gewone (geen laser) LED, wat de kosten verlaagt en de levensduur van transceivers verlengt in vergelijking met single-mode kabel. De golflengte van het licht in een multimode-kabel is 0,85 micron, met een golflengtespreiding van ongeveer 30 - 50 nm. De toegestane kabellengte bedraagt ​​2 - 5 km.

Multimode-kabel is op dit moment het belangrijkste type glasvezelkabel omdat het goedkoper en gemakkelijker verkrijgbaar is. De demping bij een multimode kabel is groter dan bij een singlemode kabel en bedraagt ​​5 - 20 dB/km.

De typische latentie voor de meest voorkomende kabels ligt rond de 4-5 ns/m, wat dichtbij de latentie van elektrische kabels ligt.
Glasvezelkabels zijn, net als elektrische kabels, verkrijgbaar in plenum En niet-plenum.