Одномодовое и многомодовое волокна

Как уже отмечалось, существует два типа оптоволоконного кабеля: одномодовый и многомодовый. Основное отличие между ними заключается в толщине сердечника и оболочки. Одномодовый световод обычно имеет толщину порядка 8/125 микрон, а многомодовое волокно 50/125 микрон. Эти значения соответствуют диаметру сердечника и диаметру вместе взятых: сердечника и оболочки.

Световой луч, распространяющийся по сравнительно тонкому сердечнику одномодового кабеля, отражается от оболочки не так часто, как это происходит в более толстом сердечнике многомодового кабеля. Для передачи данных в последнем применяется полихромный (многочастотный) свет, а в одномодовом используется свет только одной частоты (монохромное излучение), отсюда они и получили свои названия. Сигнал, передаваемый одномодовым кабелем, генерируется с помощью лазера, и представляет собой волну, естественно, одной длины, в то время как многомодовые сигналы, генерируемые светодиодом (LED – Light Emitted Diode), переносят волны различной длины. В одномодовом кабеле затухания сигнала (потери мощности сигнала) практически исключены. Это и ряд выше перечисленных качеств позволяют одномодовому кабелю функционировать с большей пропускной способностью по сравнению с многомодовым кабелем и преодолевать расстояния в 50 раз длиннее.

С другой стороны, одномодовый кабель намного дороже и имеет сравнительно большой радиус изгиба по сравнению с многомодовым оптическим кабелем, что делает работу с ним неудобной. Большинство оптоволоконных сетей используют многомодовый кабель, который хотя и уступает по производительности одномодовому кабелю, но зато значительно эффективней, чем медный. Телефонные компании и кабельное телевидение, тем не менее, стремятся применять одномодовый кабель, так как он может передавать большее количество данных и на более длинные дистанции.

 

РЕЖИМЫ ПРОХОЖДЕНИЯ ЛУЧА

Распространение света в волокне иллюстрирует рис. 2. Для того чтобы луч распространялся вдоль световода, он должен входить в него под углом не более критического относительно оси волокна, то есть попадать в воображаемый входной конус. Синус этого критического угла называется числовой апертурой световода NA.

 

 

Рис. 2 Ввод света в оптоволокно            1 – входной косинус            2 – осевая мода            3 – мода низкого порядка            4 – мода высокого порядка            5 – критический угол

 

В многомодовом волокне показатели преломления сердцевины и оболочки различаются всего на 1-1,5 % (например, 1,515:1,50) При этом апертура NA – 0,2-0,3, и угол, под которым луч может войти в световод, не превышает 12-18° от оси. В одномодовом же волокне показатели преломления различаются еще меньше (1,505:1,50), апертура NA – 0,122 и угол не превышает 7° от оси. Чем больше апертура, тем легче ввести луч в волокно, но при этом увеличи­вается модовая дисперсия и сужается полоса пропускания.

Числовая апертура характеризует все компоненты оптического канала — световоды, источ­ники и приемники излучения. Для минимизации потерь энергии апертуры со­единяемых элементов должны быть согласованными друг с другом.

Строго говоря, распространение сигнала в оптоволокне описывается   уравне­ниями Максвелла. В большинстве случаев можно пользоваться при­ближением геометрической оптики. Если рассматривать распространение сигна­ла с позиций геометрической оптики, то световые лучи, входящие под различны­ми углами, будут распространяться по различным траекториям (рис. 3). Более высоким модам соответствуют лучи, входящие под большим углом, они будут иметь большее число внутренних отражений по пути в световоде и будут прохо­дить более длинный путь. Число мод для конкретного световода зависит от его конструкции: показателей преломления и диаметров сердцевины и оболочки, а также и длины волны.

Рис. 3 Распространение волн в световодах: а – одномодовом, б – многомодовом со ступенчатым профилем, в – многомодовом с градиентным профилем            1 – профиль показателя преломления            2 – входной импульс            3 – выходной импульс

Световой импульс, проходя по волокну, из-за явления дисперсии изменит свою форму – “размажется”. Различают несколько видов дисперсии: модовая, материальная и волноводная. Модовая дисперсия присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны. Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.

МОЩНОСТЬ И ПОТЕРИ СИГНАЛА

Мощность оптического сигнала измеряется в логарифмических единицах дБм (децибел к милливатту): уровню 0 дБм соответствует сигнал с мощностью 1 мВт. Потери (loss) сигнала в каком-либо элементе являются затуханием. Тогда большее затухание будет соответствовать и большим потерям сигнала.

По мере распространения луча происходит его затухание, вызванное рассея­нием и поглощением. Поглощение – преобразование в тепловую энергию – про­исходит во вкраплениях примесей; чем чище стекло, тем эти потери меньше. Рассеяние – выход лучей из световода – происходит в изгибах волокон, когда лучи более высоких мод покидают волокно. Рассеяние происходит и в микроизгибах, и на прочих дефектах поверхности границы сред.

Рис. 4 График зависимости затухания от длины волны

Для волокна указывают погонное затухание (дБ/км), и для получения значе­ния затухания в конкретной линии погонное затухание умножают на ее длину. Затухание имеет тенденцию к снижению с увеличением длины волны, но при этом зависимость немонотонна, что видно из рис. 4. На нем видны окна про­зрачности многомодового волокна в областях с длинами волн 850 мкм и 1300 мкм. Для одномодового волокна окна находятся в диапазонах около 1300 и 1500-1600 мкм. Естественно, что с целью повышения эффективности связи ап­паратура настраивается на длину волны, находящуюся в одном из окон. Одномодовое волокно используется для волн 1550 и 1300 нм, при этом типовое погон­ное затухание составляет 0,25 и 0,35 дБ/км соответственно. Многомодовое волокно используется для волн 1300 и 850 нм, где погонное затухание — 0,75 и 2,7 дБ/км.

В оптической передаче самые сложные задачи связаны с концами и стыками волокон. Это генерация световых импульсов и ввод их в волокно, прием и детек­тирование сигналов, и просто соединение отрезков волокон между собой. Луч, падающий на торец волокна, входит в него не весь: он частично отражается об­ратно, часть проходящей энергии рассеивается на дефектах (шероховатости) по­верхности торца, часть “промахивается” мимо конуса, принимающего свет. То же самое происходит и на выходе луча из волокна. В итоге каждый стык вносит потери проходящего сигнала (типовое значение 0,1-1 дБ), а уровень отраженно­го сигнала может находиться в пределах – 15-60 дБ.

 

ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ

В большинстве современных технологий информация по световодам передается с помощью импульсов в двухуровневой дискретной форме (есть сигнал – нет сиг­нала), аналога полярности электрического сигнала здесь нет. Информационная пропускная способность линии определяется ее полосой пропускания и приня­той схемой кодирования. Полоса пропускания определяется как максимальная частота импульсов, различимых приемником. По­лоса пропускания волоконной линии ограничивается из-за явления дисперсии, поэтому она зависит от длины. Особенно это заметно на многомодовом волокне.

Для многомодового волокна ширина полосы пропускания BW (МГц) связана с длиной L (км) через параметр, называемый полосой пропускания – А (МГц*км). Для одномодового волокна полоса пропускания зависит от молеку­лярной дисперсии и ширины спектра источника SW.

По полосе пропускания А можно определить максимальную частоту, при кото­рой импульсы будут еще различимыми после прохождения через световод задан­ной длины. Можно решить и обратную задачу – определить максимальную длину световода, пропускающего импульсы заданной частоты. Коэффициент А приво­дится в спецификации на волокно и указывается для конкретной длины волны. Современные многомодовые кабели имеют А=160-500 МГц*км. Что касается современных одномодовых кабелей и лазерных излучателей, то они обеспечивают поло­су пропускания порядка 1 ГГц при длине линии 100 км.

Эффективность использования полосы пропускания определяется принятой схемой кодирования. В технологии FDDI (и 100BaseFX), например, применяет­ся физическое кодирование по методу NRZI, при котором один бит передается за один такт синхронизации. Это означает, что каждые 4 бита полезной информации кодируются 5-битным символом, передаваемым за 5 тактов. Таким образом, коэффициент использования полосы пропускания со­ставляет 4/5=0,8, и для передачи данных со скоростью 100 Мбит/с требуется обеспечить передачу импульсов с частотой (полосой) 125 МГц.

В технологиях современных поколений используется когерентное излучение с модуляцией частоты или фазы сигнала. При этом достигается пропускная спо­собность, измеряемая гигабитами в секунду при длине в сотни километров без ре­генерации. Другое направление — солитоновая технология, основанная на переда­че сверхкоротких (10 пс) импульсов-солитонов. Эти импульсы распространяются без искажения формы, и в идеальной линии (без затухания)  дальность связи не ограничена при гигабитных скоростях передачи. Для этих технологий, пока не имеющих отношения к локальным сетям, пропускная способность линии опре­деляется иными способами.