Оптическое волокно, известное также как световод, представляет собой гибкий цилиндрический проводник, обычно выполненный из стекла или пластика, с круглым поперечным сечением. Конструкция такого волокна включает три основных слоя: сердцевину, оболочку и защитное покрытие.
В телекоммуникационных системах оптическое волокно (ОВ) выполняет функцию главного носителя для передачи сигналов. Этот сигнал представляет собой световую волну с модулированной интенсивностью, которая распространяется, в первую очередь, по сердцевине волокна. Диаметр сердцевины может варьироваться от 6 до 62,5 мкм в зависимости от типа, и передача происходит по цилиндрическому световоду, образуемому сердцевиной и оболочкой, благодаря эффекту полного внутреннего отражения (ПВО) на границе между сердцевиной и оболочкой.
Типология оптических волокон определяется по следующим четырем параметрам:
- Количество мод или типов волн: многомодовые (ММ) и одномодовые (ОМ);
- Профиль показателя преломления: может быть ступенчатым, параболическим (градиентным) или специализированным;
- Тип дисперсионного параметра D: SF (стандартное), DSF (со сдвигом нуля дисперсии), NZDSF (с ненулевой смещенной дисперсией) и ZWP (с нулевым водяным пиком);
- Знак дисперсии D: в обычных волокнах дисперсионный параметр D положителен в рабочем диапазоне длин волн, однако у DSF дисперсия отрицательная, что делает данный тип волокна подходящим для компенсации дисперсии в модулях DCM.
Кроме этих базовых типов, существует также множество специализированных волокон, предназначенных для узкоспециальных применений.
Типы многомодовых волокон (ММ)
Многомодовые волокна можно разделить на следующие виды в зависимости от профиля показателя преломления:
- Волокна со ступенчатым (прямоугольным) профилем преломления;
- Волокна со сглаженным профилем преломления (параболическим), иначе называемым градиентным.
Также ММ волокна классифицируются по материалу на четыре основных класса:
- Класс А1: стекло/стекло с диаметрами сердцевины и оболочки 50/125, 62,5/125, 85/125 и 100/140 мкм;
- Класс А2: стекло/стекло с диаметрами сердцевины и оболочки 200/240 мкм;
- Класс А3: стекло/пластик с размерами 200/280 мкм;
- Класс А4: пластик/пластик с диаметрами сердцевины и оболочки 980/1000 мкм.
В телекоммуникациях наибольшее распространение получили волокна класса А1, в основном с диаметрами 50/125 и 62,5/125 мкм. Из-за их относительно высокого уровня затухания, многомодовые волокна чаще всего применяются в сетях связи внутри объектов или на короткие дистанции, до 1–2 км, и обычно используются в локальных сетях, а не в линиях передачи на дальние расстояния, которые предпочтительно обслуживаются одномодовыми волокнами.
Кроме того, стандарт ISO/IEC 11801 с 2002 года устанавливает четыре категории ММ волокон — OM1, OM2, OM3 и OM4, — различающиеся по уровню широкополосности. Волокна высшего класса обеспечивают передачу данных гигабитного Ethernet (GE) на дистанцию до 3 км.
Типы одномодовых волокон (ОМ)
Для одномодовых волокон обычно используется кварцевое стекло (SiO₂), причем диаметр оболочки составляет 125 мкм, а сердцевина — 7–10 мкм. Однако важным параметром также считается диаметр модового поля (8–11 мкм), лучше отражающий потери при вводе света в волокно и зависящий от длины волны; фактически он на 10–12% больше диаметра сердцевины. Измерения модового поля осуществляются по стандартам IEC 793-1-C9 (европейский) и EIA/TIA-455-164/-165/-167A (американский).
По профилю показателя преломления
- Волокна с прямоугольным профилем показателя преломления;
- Волокна со специализированными профилями преломления, такими как трезубец, простой треугольник, сегментированный треугольник, треугольник на пьедестале, W-образный профиль и т.д.
Изменение профиля преломления позволяет настраивать точку нулевой дисперсии, угол наклона дисперсионной кривой и величину дисперсии в конкретной области длин волн.
По характеристикам дисперсии
Дисперсионный профиль также определяет тип одномодового волокна. Обычно выделяют три основных типа профилей: волокна без смещения дисперсии, со смещением нуля дисперсии к третьему окну прозрачности (около 1550 нм) и с выровненной дисперсией в пределах третьего окна прозрачности.
В зависимости от этих характеристик одномодовые волокна делятся на следующие виды:
- Стандартное одномодовое волокно (SF или SSMF), то есть волокно без смещенной дисперсии;
- Волокно со смещенной нулевой дисперсией (DSF), где нулевая дисперсия смещена к длине волны 1550 нм;
- Волокно с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF), у которого нулевая точка дисперсии смещена в область третьего окна, при этом дисперсия имеет небольшую и медленно возрастающую величину в диапазоне длин волн, характерных для оптических усилителей EDFA.
Специальные типы волокон
С развитием WDM-систем и оптических усилителей также были созданы специализированные волокна:
- DCF (Dispersion Compensation Fiber) — волокно, предназначенное для компенсации дисперсии и используемое в модулях DCM (Dispersion Compensation Module);
- EDF (Erbium Dropped Fiber) — кварцевое волокно, легированное эрбием, применяемое в оптических усилителях типа EDFA;
- NDF (Neodim Dropped Fiber) — волокно с легированием неодимом для усилителей типа NDFA;
- PMF (Polarization Maintaining Fiber) — волокно, сохраняющее состояние поляризации, востребовано в датчиках, где требуется сохранение поляризации;
- Фотонно-кристаллическое волокно (Photonic Crystal Fiber или PCF) — новое поколение волокон, выполненных на базе фотонных кристаллов и используемых для соединительных шнуров лазерного и усилительного оборудования.
Основные параметры многомодовых волокон
Для многомодовых волокон ключевые параметры регулируются рекомендацией G.651. Хотя данная рекомендация описывает основные характеристики, полное разнообразие многомодовых волокон и их свойства часто раскрываются в каталогах производителей, которые предоставляют более подробную информацию.
К основным характеристикам многомодовых волокон можно отнести следующие:
- Тип волокна — стандартное или градиентное (gradient index fiber, GIF);
- Рабочие окна прозрачности — 850 нм и 1310 нм;
- Затухание и полоса пропускания — измеряются на длинах волн 850 и 1310 нм и выражаются в виде параметра BW (широкополосность), имеющего размерность [МГц∙км];
- Динамическая усталость — характеризует долговременную устойчивость волокна к механическим воздействиям.
Основные параметры одномодовых волокон
Одномодовые волокна классифицируются по стандартам ITU-T G.650, G.652–657. Эти рекомендации регулируют основные характеристики различных типов ОМ волокон, такие как:
- G.652 (SF) — стандартное волокно, с точкой нулевой дисперсии на 1310 нм;
- G.653 (DSF) — волокно со сдвигом нулевой дисперсии на 1550 нм, популярно в SDH-системах;
- G.654 (CSF) — волокно со смещением отсечки на 1530 нм, предназначено для дальних морских линий;
- G.655 (NZDSF) — волокно с ненулевой смещенной дисперсией для систем WDM, где значение дисперсии не должно быть нулевым;
- G.657 (BLIF) — волокно с устойчивостью к макроизгибам для внутренних сетей и горизонтальных подсистем.
Применение оптических волокон в сетях
Ранее волокна использовались преимущественно для магистральных линий связи с PDH, SDH и WDM технологиями. Сегодня оптоволокно широко применяется в сетях доступа, таких как PON, FTTB, FTTH, а также Ethernet, IP и ATM сетях.
Наиболее широко распространены одномодовые волокна типа SF (G.652), которые постоянно совершенствуются и могут использоваться для высокоскоростных систем передачи данных. Многомодовые волокна ограничиваются использованием в локальных сетях и на небольших расстояниях.
Для высокоскоростных SDH-систем (10 Гбит/с и выше) выбор волокна обуславливается требованиями к параметрам затухания, накопленной дисперсии и PMD, а при планируемом переходе на WDM системы требуется выбирать волокна с управлением дисперсией.
