Jednovidové a viacvidové optické vlákna. Jednovidové kremenné optické vlákno

Princíp prenosu dát cez optický kábel

Ako viete, všetky údaje v počítači sú reprezentované vo forme núl a jednotiek. Všetky štandardné káble prenášajú binárne dáta pomocou elektrických impulzov. A iba optický kábel na rovnakom princípe prenáša dáta pomocou svetelných impulzov. Svetelný zdroj posiela dáta cez optický „kanál“ a prijímajúca strana musí prijaté dáta previesť do požadovaného formátu.

Optický prenosový kanál pozostáva z vysielača, svetlovodivého optického vlákna a prijímača.

Existujú dva typy optických káblov:

-multimode, alebo multimode kábel, lacnejší, ale menej kvalitný ( MM);

- jeden režim kábel, drahší, ale má najlepšie vlastnosti (S.M.).

Hlavné rozdiely medzi týmito typmi sú spojené s rôznymi režimami prechodu svetelných lúčov v kábli.

Jednovidový kábel má stredový priemer vlákna 3 - 10 mikrónov. Na prenos dát sa používa svetlo s vlnovými dĺžkami 1300 a 1500 nm. Rozptyl a strata signálu pri týchto frekvenciách sú veľmi malé, čo umožňuje prenos signálov na oveľa väčšiu vzdialenosť ako pri multimódovom kábli. Dĺžka jednovidového kábla však môže dosiahnuť 80 km.

V multimódovom kábli majú trajektórie svetelných lúčov znateľný rozptyl, v dôsledku čoho je tvar signálu na prijímacom konci kábla skreslený (obr. Stredové vlákno má priemer 62,5 µm a vonkajší priemer plášťa je 125 µm (niekedy sa to označuje ako 62,5/125). Prípustná dĺžka kábla dosahuje 2-5 km.

Na prenos dát je na jednom konci optického vlákna inštalovaný vysielač-emitor a na druhom konci je inštalovaný fotoprijímač. Súčasne sa teda využívajú dve vlákna, z ktorých jedno prenáša a druhé prijíma dáta. Prijatý optický signál sa premieňa na elektrický signál pomocou špeciálnych zariadení - media konvertorov (obr. 107), ktoré majú porty na pripojenie optického vlákna a krútenej dvojlinky. Konvertory médií môžu byť navrhnuté ako moduly, ktoré sa zasúvajú priamo do slotu prepínača, ako je znázornené na obr.

IN V poslednej dobe Aby sa ušetril počet vlákien (ako aj spojovacích zariadení), multiplexovanie vlnových dĺžok (WDM, Multiplexovanie s vlnovým delením): na jednej vlnovej dĺžke prenášajú signál v jednom smere, v inom - v opačnom smere. Na tento účel sa používajú transceivery so zabudovaným WDM a jedným optickým konektorom. Na opačných koncoch linky sú inštalované rôzne typy transceiverov: jeden vysielač má vlnovú dĺžku 1300 nm, prijímač má vlnovú dĺžku 1550 nm; druhý to má naopak.

Multimode vlákno sa dodáva v dvoch typoch: stupňovité a spádové profily index lomu pozdĺž jeho prierezu.

Obr.1 Single-mode a multimode optické vlákno

Napriek tomu obrovská rozmanitosť optické káble, vlákna v nich sú takmer rovnaké. Okrem toho existuje oveľa menej výrobcov vlákien (najznámejšie Corning, Lucent a Fujikura) ako výrobcov káblov.

Podľa typu konštrukcie, respektíve veľkosti jadra, sa optické vlákna delia na single-mode (SM) a multimode (MM). Presne povedané, tieto pojmy by sa mali používať vo vzťahu k použitej špecifickej vlnovej dĺžke, ale po zvážení obrázku 8.2 je jasné, že v súčasnej fáze vývoja technológie to nemožno brať do úvahy.

Ryža. 8.3. Jednovidové a viacvidové optické vlákna

V prípade multimódového vlákna je priemer jadra (zvyčajne 50 alebo 62,5 µm) takmer o dva rády väčší ako vlnová dĺžka svetla. To znamená, že svetlo môže prechádzať vláknom po niekoľkých nezávislých dráhach (režimoch). Zároveň je zrejmé, že rôzne módy majú rôzne dĺžky a signál na prijímači sa časom výrazne „roztiahne“.

Z tohto dôvodu je učebnicový typ stupňovitých vlákien (možnosť 1) s konštantným indexom lomu ( konštantná hustota) po celom priereze jadra, sa dlho nepoužíval z dôvodu veľkého rozptylu vidov.

Nahradilo ho gradientné vlákno (možnosť 2), ktoré má nerovnomernú hustotu materiálu jadra. Obrázok jasne ukazuje, že dĺžky dráhy lúčov sú výrazne znížené v dôsledku vyhladzovania. Lúče putujúce ďalej od osi svetlovodu síce prechádzajú na väčšie vzdialenosti, no majú aj vyššiu rýchlosť šírenia. To sa deje v dôsledku skutočnosti, že hustota materiálu od stredu k vonkajšiemu polomeru klesá podľa parabolického zákona. A svetelná vlna sa šíri tým rýchlejšie, čím je hustota média nižšia.

V dôsledku toho sú dlhšie trajektórie kompenzované vyššou rýchlosťou. Úspešným výberom parametrov je možné minimalizovať rozdiel v čase šírenia. V súlade s tým, rozptyl vidov gradientové vlákno bude oveľa menšia ako u vlákna s konštantnou hustotou jadra.

Avšak bez ohľadu na to, aké vyvážené sú gradientové multimode vlákna, tento problém možno úplne odstrániť iba použitím vlákien s dostatočne malým priemerom jadra. V ktorej sa pri vhodnej vlnovej dĺžke bude šíriť jeden jediný lúč.

V skutočnosti má bežné vlákno priemer jadra 8 mikrónov, čo je celkom blízko bežne používanej vlnovej dĺžke 1,3 mikrónu. Interfrekvenčná disperzia zostáva pri neideálnom zdroji žiarenia, ale jej vplyv na prenos signálu je stokrát menší ako intermodálna alebo materiálová disperzia. Priepustnosť jednovidového kábla je teda oveľa väčšia ako priepustnosť viacvidového kábla.

Ako to často býva, typ vlákna s vyšším výkonom má svoje nevýhody. V prvom rade ide samozrejme o vyššie náklady v dôsledku ceny komponentov a požiadaviek na kvalitu inštalácie.

Tab. 8.1. Porovnanie single-mode a multimode technológií.

Typy a typy konektorov

Uvažujme o odpojiteľných spojeniach. Ak limit dosahu vysokorýchlostných elektrických vedení založených na krútenej dvojlinke závisí od konektorov, potom v systémoch s optickými vláknami sú dodatočné straty, ktoré prinášajú, dosť malé. Útlm v nich je asi 0,2-0,3 dB (alebo niekoľko percent).

Preto je celkom možné vytvárať zložité topologické siete bez použitia aktívnych zariadení, prepínaním vlákien na konvenčných konektoroch. Výhody tohto prístupu sú viditeľné najmä v krátkych, ale rozsiahlych sieťach na poslednú míľu. Je veľmi výhodné odviesť jeden pár vlákien do každého domu zo spoločnej chrbtice, pričom zostávajúce vlákna sa prepoja v rozvodnej skrini „na priechod“.

Čo je hlavné v odpojiteľnom spojení? Samozrejmosťou je samotný konektor. Jeho hlavnou funkciou je fixácia vlákna v centrovacom systéme (konektore) a ochrana vlákna pred mechanickými a klimatickými vplyvmi.

Základné požiadavky na konektory sú nasledovné:

· zavedenie minimálneho útlmu a spätného odrazu signálu;

· minimálne rozmery a hmotnosť s vysokou pevnosťou;

· dlhodobá prevádzka bez zhoršenia parametrov;

· jednoduchosť inštalácie na kábel (vlákno);

· Jednoduché pripojenie a odpojenie.

Dnes je známych niekoľko desiatok typov konektorov a neexistuje jediný, na ktorý by sa strategicky orientoval rozvoj odvetvia ako celku. Ale hlavná myšlienka všetkých možností dizajnu je jednoduchá a celkom zrejmá. Je potrebné presne zarovnať osi vlákien a ich konce tesne pritlačiť k sebe (vytvoriť kontakt).

Ryža. 8.6. Princíp činnosti konektora z optických vlákien kolíkového typu

Prevažná časť konektorov sa vyrába podľa symetrického dizajnu, kedy sa na spojenie konektorov používa špeciálny prvok - spojka (konektor). Ukazuje sa, že najprv je vlákno upevnené a vycentrované v hrote konektora a potom samotné hroty sú vycentrované v konektore.

Môžete teda vidieť, že signál ovplyvňujú nasledujúce faktory:

· Vnútorné straty – spôsobené toleranciami na geometrické rozmery svetlovody Ide o excentricitu a elipticitu jadra, rozdiel v priemeroch (najmä pri spájaní vlákien odlišné typy);

· Vonkajšie straty, ktoré závisia od kvality konektorov. Vznikajú v dôsledku radiálneho a uhlového posunu hrotov, nerovnobežnosti koncových plôch vlákien a vzduchovej medzery medzi nimi (Fresnelove straty);

· Spätný odraz. Vzniká v dôsledku prítomnosti vzduchovej medzery (Fresnelov odraz svetelného toku v opačnom smere na rozhraní sklo-vzduch-sklo). Podľa normy TIA/EIA-568A sa normalizuje koeficient spätného odrazu (pomer sily odrazeného svetelného toku k výkonu dopadajúceho svetla). Nemalo by byť horšie ako -26 dB pre jednorežimové konektory a nie horšie ako -20 dB pre multimódové;

· Kontaminácia, ktorá zase môže spôsobiť vonkajšiu stratu a spätný odraz.

V komunikačných linkách z optických vlákien existujú dva typy káblov. Konkrétne: multimódový optický kábel, a teda jednovidový.

Ako už názov napovedá, podľa architektúry jednorežimový kábel neprepustí viac ako jeden lúč – režim. Rozdiel medzi jednovidovými a viacvidovými optickými káblami teda spočíva v spôsobe, akým sa cez ne šíri optické žiarenie. Veľkosť jadra vlákna je najvýznamnejšou vlastnosťou, ktorá môže ovplyvniť, či si kúpite jednovidový optický kábel alebo iný.

Menší priemer jadra poskytuje nižší rozptyl vidov a v dôsledku toho schopnosť prenášať informácie na veľké vzdialenosti bez použitia smerovačov, opakovačov a opakovačov. Negatívny faktor je, že jednovidové vlákno a elektronické komponenty, ktoré zabezpečujú prenos, príjem a transformáciu údajov, ako aj udržiavanie technických charakteristík optických káblov na správnej úrovni, sú veľmi drahé.

Pokiaľ ide o špecifické rozmery, jednovidové vlákno má veľmi tenké jadro s priemerom 10 mikrónov alebo menej. Šírka pásma kábel sa pohybuje od 10 Gbitov a viac.

Multimódový optický kábel

Na rozdiel od kábla s jedným režimom umožňuje kábel s viacerými režimami prejsť cez n-tý počet režimov. Takýto vodič môže obsahovať viac ako jednu nezávislú svetelnú dráhu. Veľkosť priemeru jadra však zabezpečuje, že svetlo z skôr sa bude odrážať od povrchu vonkajšieho obalu jadra a to zase zvyšuje vidový rozptyl. Rozptyl lúča v kábli vedie k zníženiu prenosovej vzdialenosti signálu a potrebe zvýšiť počet opakovačov.

Každý inžinier, ktorý dokončil návrh vlákna, získa v sieti rýchlosť prenosu dát 2,5 Gbit. Opäť vyvstáva otázka: „Ak si kúpim kábel z optických vlákien, ktorý si mám vybrať? Všetko závisí od technických ukazovateľov a požadovanej kvality komunikácie. Môžete si napríklad zakúpiť 8-vláknový optický kábel. V takomto vodiči, ako je naznačené, je 8 vlákien, ktoré sú umiestnené v centrálnom module.

V dnešnej dobe nie je také ľahké niekoho prekvapiť optickými vláknami u vás doma, v práci alebo dokonca v byte. Technológie prenosu dát prostredníctvom optických komunikačných liniek sa šíria obrovskou rýchlosťou. Neustále prebieha inštalácia nových optických káblov a modernizácia výmeny existujúcich medených káblov (zastaraná technológia DSL) za optické.

Často počujeme otázky o komunikačných linkách z optických vlákien. V tomto článku chcem odpovedať na jednu z často kladených otázok o rozdieloch medzi jednovidovými a multimódovými optickými káblami jednoduchými slovami, zrozumiteľné pre koncového užívateľa.

Čo je teda móda a čo znamená? Režimy sú typy elektromagnetických oscilácií, ktoré sa šíria v optickom vlákne. Každý režim má svoju vlastnú fázovú a skupinovú rýchlosť. Skupinová rýchlosť sa vzťahuje na rýchlosť prenosu energie a fázová rýchlosť sa vzťahuje na rýchlosť pohybu vlnovej fázy. Ak si vezmeme príklad obyčajného elektromagnetické vlny, potom sa fázová aj skupinová rýchlosť rovnajú rýchlosti svetla, ale v kábli z optických vlákien sa rýchlosti líšia a závisia od frekvencie kmitov vĺn, od priemeru vlákna a od materiálov, z ktorých je kábel vyrobený. je vyrobené. Práve kvôli týmto kombináciám vlastností káblov dochádza k rozptylu (rozptyľovaniu režimov).

Na základe definície režimu umožňuje vlákno MultiMode MM dodať viacero svetelných signálov. Single-mode (SingleMode MM) - umožňuje prechod iba jedného signálu.

Mohlo by sa zdať, že multimódové vlákno má výhodu oproti jednovidovému vláknu, ale je to len na prvý pohľad. Multimode má dôležitú nevýhodu: vysoký rozptyl vidov.

Priemer jadra vlákna viacvidového kábla je 50 mikrónov alebo viac. Táto šírka umožňuje privedenie niekoľkých režimov do jedného vlákna, ale tiež zvyšuje pravdepodobnosť odrazu svetla od vonkajšieho povrchu jadra, čo spôsobuje útlm signálu. Podľa toho vyslať signál do dlhé vzdialenosti použitie takéhoto kábla je možné len vtedy, ak sa zvýši počet opakovačov, čo výrazne zvýši náklady na projekt. Rýchlosť prenosu dát je 2,5 Gb/s

Pre jednovidový kábel je priemer jadra 10 mikrónov alebo menej. Vo vlákne s týmto priemerom je pravdepodobnosť rozptylu výrazne znížená, čo umožňuje prenos dát na veľké vzdialenosti. Jednorežimové vlákno umožňuje prenos dát rýchlosťou 10 Gb/s. Zároveň sú však jednovidové káble a spínacie zariadenia drahšie. Zvarové spoje jednovidového režimu sú tiež citlivejšie na kvalitu zvárania.

Kde a akú vlákninu je najlepšie použiť? Na organizáciu sa najčastejšie používa multimódové optické vlákno malé veľkosti v rámci jednej budovy alebo priľahlých budov (cca 500 metrov). s jednovidovými vláknami sa používajú na pripojenie vzdialených budov, napríklad na organizáciu video monitorovacieho systému v rámci okresu, mesta alebo dokonca diaľnice (1000 m alebo viac).

Optický kábel(aka optický kábel) je zásadne odlišný typ kábla oproti dvom typom elektrického resp medený kábel. Informácie z neho sa neprenášajú elektrickým signálom, ale svetelným. Jeho hlavným prvkom je priehľadný sklolaminát, ktorým svetlo prechádza na obrovské vzdialenosti (až desiatky kilometrov) s nepatrným útlmom.

Ryža. 1. Optické vlákno. Štruktúra

Štruktúra optického kábla je veľmi jednoduchá a podobná štruktúre koaxiálneho elektrického kábla (obr. 1). Len namiesto stredového medeného vodiča je tu použité tenké (s priemerom cca 1 - 10 polotmavé) sklenené vlákno (3) a namiesto vnútorná izolácia- sklenená alebo plastová škrupina (2), ktorá nedovoľuje svetlu uniknúť cez sklolaminát. V tomto prípade hovoríme o o takzvanom plnom režime vnútorný odraz svetlo z rozhrania dvoch látok s rôznymi koeficientmi lomu (sklenený plášť má oveľa nižší koeficient lomu ako centrálne vlákno). Na kábli zvyčajne nie je žiadne kovové opletenie, pretože tienenie pred vonkajším elektromagnetickým rušením nie je potrebné. Niekedy sa však stále používa na mechanická ochrana z prostredia (takýto kábel sa niekedy nazýva pancierový kábel; môže kombinovať niekoľko káblov z optických vlákien pod jedným plášťom).

Optický kábel má výnimočné vlastnosti pre bezpečnosť a utajenie prenášaných informácií. V zásade nie sú žiadne vonkajšie elektromagnetické prekážky schopné deformovať svetelný signál a samotný signál negeneruje vonkajšie elektromagnetická radiácia. Je takmer nemožné pripojiť sa k tomuto typu kábla pre neoprávnené odpočúvanie siete, pretože by to narušilo integritu kábla. Teoreticky dosahuje šírka pásma takéhoto kábla 10-12 Hz, teda 1000 GHz, čo je neporovnateľne viac ako pri elektrických kábloch. Náklady na optický kábel neustále klesajú av súčasnosti sa približne rovnajú nákladom na tenký koaxiálny kábel.

Typické množstvo útlmu signálu v kábloch z optických vlákien pri frekvenciách používaných v lokálnych sietí, sa pohybuje od 5 do 20 dB/km, čo približne zodpovedá výkonu elektrických káblov pri nízkych frekvenciách. Ale pri kábli z optických vlákien sa so zvyšovaním frekvencie prenášaného signálu veľmi mierne zvyšuje útlm a pri vysokých frekvenciách (najmä nad 200 MHz) je jeho výhoda oproti elektrickému káblu nevyvrátiteľná konkurentov.

Nevýhody kábla z optických vlákien

Najdôležitejšou z nich je vysoká zložitosť inštalácie (s inštalácia kábla z optických vlákien pri separácii sa vyžaduje mikrónová presnosť; útlm pri separácii značne závisí od presnosti skleneného vlákna a stupňa jeho leštenia). Na inštaláciu separácií sa používa zváranie alebo lepenie pomocou špeciálneho gélu, ktorý má rovnaký koeficient lámavosti svetla ako sklolaminát. V každom prípade si to vyžaduje vysoko kvalifikovaný personál a špeciálne nástroje. Preto sa kábel z optických vlákien najčastejšie predáva vo forme vopred narezaných kusov rôznych dĺžok, pričom na oboch koncoch sú už nainštalované odpojovače. správny typ. Je potrebné pripomenúť, že nekvalitná inštalácia odpojenia výrazne znižuje prípustnú dĺžku kábla v dôsledku útlmu.

Musíte tiež pamätať na to, že používanie kábla z optických vlákien vyžaduje špeciálne optické prijímače a vysielače, ktoré premenia svetelné signály na elektrické signály a späť, čo niekedy výrazne zvyšuje náklady na sieť ako celok.

Káble z optických vlákien umožňujú vetvenie signálov (na tento účel sa vyrábajú špeciálne pasívne rozvádzače ( páry) pre 2-8 kanálov), ale spravidla sa používajú na prenos údajov iba v jednom smere medzi jedným vysielačom a jedným prijímačom. Akékoľvek rozvetvenie totiž nevyhnutne značne oslabuje svetelný signál a ak je vetiev veľa, toto svetlo sa jednoducho nemusí dostať na koniec siete. Navyše distribútori majú aj interné straty, tzv celkový výkon Výstupný signál je menší ako vstupný výkon.

Kábel z optických vlákien je menej pevný a flexibilný ako elektrický kábel. Typický povolený polomer ohybu je asi 10 - 20 cm, pri menších polomeroch ohybu sa môže stredové vlákno zlomiť. Netoleruje káblové a mechanické naťahovanie, ako aj vplyvy drvenia.

Citlivý kábel z optických vlákien a ionizujúce žiarenie, prostredníctvom ktorého klesá priehľadnosť skleneného vlákna, to znamená, že sa zvyšuje útlm signálu . Negatívny vplyv naň majú aj náhle zmeny teplôt a sklolaminát môže prasknúť.

Kábel z optických vlákien sa používa iba v sieťach s hviezdicovou a kruhovou topológiou. V tomto prípade neexistujú žiadne problémy s párovaním alebo uzemnením. Kábel poskytuje ideálnu galvanickú izoláciu sieťových počítačov. V budúcnosti sa tento typ kábla pravdepodobne vytlačí elektrické káble alebo ich v každom prípade výrazne vytlačí. Zásoby medi na planéte sa míňajú, no surovín na výrobu skla je dosť.

Typy optických káblov

1. multimódový alebo multimódový kábel, lacnejší, ale menej kvalitný;
2. jednorežimový kábel, drahší, ale má lepšie vlastnosti v porovnaní s prvým.

Podstata rozdielu medzi týmito dvoma typmi spočíva v rôznych režimoch prechodu svetelných lúčov v kábli.

Ryža. 2. Šírenie svetla v jednovidovom kábli

V jednovidovom kábli sa takmer všetky lúče pohybujú po rovnakej dráhe, v dôsledku čoho sa k prijímaču dostanú súčasne a tvar signálu nie je takmer skreslený (obr. 2). Jednovidový kábel má stredný priemer vlákna asi 1,3 mikrónu a prenáša svetlo len pri rovnakej vlnovej dĺžke (1,3 mikrónu). Rozptyl a strata signálu sú veľmi malé, čo umožňuje prenos signálov na oveľa väčšiu vzdialenosť ako pri multimódovom kábli. Pre jednovidové káble sa používajú laserové transceivery, ktoré využívajú svetlo výlučne s požadovanou vlnovou dĺžkou. Takéto vysielače a prijímače sú stále relatívne drahé a nie sú odolné. V budúcnosti by sa však mal stať hlavným typom kábel s jedným režimom vďaka svojim vynikajúcim vlastnostiam. Okrem toho sú lasery rýchlejšie ako bežné LED diódy. Útlm signálu v jednovidovom kábli je približne 5 dB/km a môže byť dokonca znížený na 1 dB/km.

Ryža. 3. Šírenie svetla v multimódovom kábli

V multimódovom kábli majú trajektórie svetelných lúčov znateľný rozptyl, v dôsledku čoho je tvar signálu na prijímacom konci kábla skreslený (obr. 3). Stredové vlákno má priemer 62,5 µm a vonkajší priemer plášťa je 125 µm (niekedy sa to odráža ako 62,5/125). Prenos využíva bežnú (nie laserovú) LED, čo znižuje náklady a zvyšuje životnosť transceiverov v porovnaní s jednovidovým káblom. Vlnová dĺžka svetla v multimódovom kábli je 0,85 mikrónov, s vlnovou dĺžkou šírky asi 30 - 50 nm. Prípustná dĺžka kábla je 2 - 5 km.

Multimódový kábel je v súčasnosti hlavným typom kábla z optických vlákien, pretože je lacnejší a dostupnejší. Útlm v multimódovom kábli je väčší ako v jednovidovom kábli a predstavuje 5 - 20 dB/km.

Typická latencia pre najbežnejšie káble je okolo 4-5 ns/m, čo je blízko k latencii, ktorá sa nachádza v elektrických kábloch.
Káble z optických vlákien, podobne ako elektrické káble, sú dostupné v plénum A neplénum.