Single mode что это
Оптические волокна. Классификация.
Оптические волокно стандарт де-факто при построении магистральных сетей связи. Протяженность волоконно-оптических линий связи в России у крупных операторов связи достигает > 50 тыс.км.
Благодаря волокну мы имеем все те преимущества в связи, которых не было раньше.
Вот и попробуем рассмотреть виновника торжества — оптическое волокно.
В статье попробую написать просто о оптических волокнах, без математических выкладок и с простыми человеческими объяснениями.
Статья чисто ознакомительная, т.е. не содержит уникальных знаний, всё что будет описано может быть найдено в куче книг, однако, это не копипаст, а выжимка из «кучи» информации только лишь сути.
Классификация
Чаще всего волокна подразделяют на 2 общих типа волокон
1. Многомодовые волокна
2. Одномодовые
дадим пояснение на «бытовом» уровне что есть одномод и многомод.
Представим гипотетическую систему передачи с волокном воткнутым в нее.
Нам надо передать двоичную информацию. Импульсы электричества в волокне не распространяются, ибо диэлектрик, поэтому мы будим передавать энергию света.
Для этого нам нужен источник световой энергии. Это могут быть светодиоды и лазеры.
Теперь мы знаем что мы используем в качестве передатчика — это свет.
Подумаем как свет вводится в волокно:
1) Световое излучение имеет свой спектр, поэтому если сердцевина волокна широкая (это в многомодовом волокне), то больше спектральных составляющих света попадет в сердцевину.
Например мы передаем свет на длине волны 1300нм (к примеру), сердцевина многомода широкая, то и путей распространения у волн больше. Каждый такой путь и есть моды
2) Если же сердцевина маленькая (одномодовое волокно), то путей распространения волн соотвественно уменьшается. И так как дополнительных мод гораздо меньше, то и не будет и модовой дисперсии (о ней ниже).
Это основное отличие многомодового и одномодового волокон.
Спасибо enjoint, tegger, hazanko за замечания.
Многомодовые в свою очередь делятся на волокна со ступенчатым показателем преломления (step index multi mode fiber) и с градиентным (graded index m/mode fiber).
Одномодовые делятся на ступенчатые, стандартные (standard fiber), со смещенной дисперсией (dispersion-shifted) и ненулевой смещенной дисперсией (non-zero dispersion-shifted)
Конструкция оптического волокна
Каждое волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления.
Сердцевина (которая и является основной средой передачи энергии светового сигнала) изготавливается из оптически более плотного материала, оболочка — из менее.
Так, например, запись 50/125 говорит о том, что диаметр сердцевины равен 50 мкм, оболочки — 125мкм.
Диаметры сердцевины равные 50мкм и 62,5мкм являются признаками многомодовых оптических волокон, а 8-10мкм, соответственно, одномодовым.
Оболочка же, как правило, всегда имеет диаметр размером 125мкм.
Как видно диаметр сердцевины одномодового волокна имеет намного меньший размер, нежели диаметр многомодового. Меньший диаметр сердцевины позволяет уменьшить модовую дисперсию (о которой, возможно, будет написано в отдельной статье, а также вопросы распространения света в волокне), а соответственно увеличить дальность передачи. Однако, тогда бы одномодовые волокна вытеснили многомоды, благодаря более лучшим «транспортным» характеристикам, если бы не необходимость использовать дорогие лазеры с узким спектром излучения. В многомодовых волокнах используются светодиоды с более размазанным спектром.
Поэтому для недорогих оптических решений, таких как локальные сети интернет-провайдеров применения многомода случается.
Профиль показателя преломления
Вся пляска с бубном у волокна с целью увеличения скорости передачи была вокруг профиля показателя преломления. Так как основным сдерживающим фактором увеличения скорости является модовая дисперсия.
Кратко суть в следующем:
когда излучение лазера поступает в сердцевину волокна, то сигнал передается по ней в виде отдельных мод (грубо: лучей света. А на самом деле разные спектральные составляющие вводимого сигнала)
Причем входят «лучи» под разными углами, поэтому время распространения энергии отдельно взятых мод различается. Это проиллюстрировано на рисунке ниже. 
Здесь отображены 3 профиля преломления:
ступенчатый и градиентный для многомодового волокна и ступенчатый для одномодового.
Видно, что в многомодовых волокнах моды света распространяются по различным путям, но, из-за постоянного коэффициента преломления сердцевины с ОДИНАКОВОЙ скоростью. Те моды, которые вынуждены идти по ломанной линии приходят позже, чем моды, идущие по прямой. Поэтому исходный сигнал растягивается во времени.
Другое дело с градиентным профилем, те моды которые раньше шли по центру — замедляются, а моды, которые шли по ломанному пути, наоборот, ускоряются. Это произошло оттого, что коэффициент преломления сердечника теперь непостоянен. Он увеличивается параболически от краев к центру.
Это позволяет увеличить скорость передачи и получить распознаваемый сигнал на приеме.
Области применения оптических волокон
| Многомодовое волокно | Одномодовое волокно | |
| MMF 50(62.5)/125 Градиентное | SF 9/125 ступенчатое | SF 9/125 со смещенной дисперсией (с ненулевой смещенной дисп.) |
| ЛВС(GigaEther,FDDI,ATM) | Протяженные ЛВС, магистрали SDH | Сверхпротяженные магистрали SDH |
К этому можно добавить, что магистральные кабели теперь все почти идут с ненулевой смещенной дисперсий, что позволяет использовать на этих кабелях спектральное волновое уплотнение (WDM) без нужды замены кабеля.
А при построении пассивных оптических сетей часто используют многомодовое волокно.
Спасибо тем, кто конструктивно критиковал.
PS
если будет интересно, то могут появиться статьи о
— дисперсии
— типах волоконно-оптических кабелей (не волокон)
— системах передачи, используемых для wdm/dwdm уплотнения.
— процедура сварки оптических волокон. и типы сколов.
Одномодовое и многомодовое волокно: в чём разница?
Worton
Купить FS оптические патч-корды
Растущий спрос на увеличинную ширину полосы частот и быстрые сетевые соединения значительно увеличивает рост рынка волокна, особенно одномодовое волокно (SMF) и многомодовое волокно (MMF). Несмотря на то, что эти 2 типа кабелей оптического волокна широко применяются в различных областях, часто бывает сложно выбрать нужное волокно, так как разница между одномодовым и многомодовым волокном не всегда ясна. Сегодня мы решили рассмотреть строение волокна, различия в расстоянии передачи данных, цене и цвете волокна. Все это поможет нам сравнить одномодовое волокно и многомодовое волокно и понять разницу и сходство между ними.
Одномодовое и многомодовое волокно: определение
Исходя из определения моды, многомод (MultiMode MM) позволяет подавать несколько световых сигналов. Одномод (SingleMode MM)- позволяет пропустить через себя лишь один сигнал.
Одномодовое и многомодовое волокно: диаметр-сердечника
Одномодовое и многомодовое волокно: длина волны & источник света
Из-за большого размера сердечника многомодового волокна, в нем чаще всего используются недорогие источники света, такие как светодиоды (светоизлучающие диоды) и VCSEL (поверхностно-излучающий лазер свертикальным резонатором), которые работают на длине волны 850 нм и 1310 нм. В то время как в одномодовом оптоволокне часто используются лазеры или лазерные диоды для производства света, впрыскиваемого в кабель. Наиболее часто встречающаяся длина волны одномодового волокна составляет 1310 нм и 1550 нм.
Одномодовое и многомодовое волокно: пропускная способность
Ширина полосы пропускания многомодового волокна ограничена его световым режимом, а максимальная ширина полосы в настоящее время составляет 28000 МГц * км волокна OM5. В то время как полоса пропускания одномодового волокна теоретически неограничена, поэтому такое волокно может пропускать один световой режима за один раз.
Кроме того, существуют также некоторые различия между одномодовым и многомодовым оптоволоконным цветовым кодом. Больше узнать об этом вы можете, прочитав статью: “Как определить цветовой код оптоволоконного кабеля?”
Одномодовое и многомодовое волокно: расстояние
Как известно, одномодовое волокно подходит для работы на большие расстояния, а многомодовое оптическое волокно предназначено для работы на коротких дистанциях. Давайте определим количественные различия расстояния между одномодовым и многомодовым волокном.
Из таблицы видно, что расстояние между кабелями одномодового волокна намного длиннее, чем у многомодового волокна со скоростью передачи данных от 1G до 10G, но многомодовое волокно типа OM3/OM4/OM5 поддерживает более высокую скорость передачи данных. Чаще всего многомодовое оптоволокно используется для организации ЛВС (локально-вычислительной сети) и СКС (структурированной кабельной сети) небольших размеров в рамках одного здания или прилегающих строений (около 500 метров). Волоконно-оптические линии связи с одномодовыми волокнами используют для подключения удаленных зданий, например для организации системы видеонаблюдения в рамках района, города или даже магистрали (1000м и более).
Одномодовое и многомодовое волокно: стоимость разводки кабелей
Стоимость одномодового и многомодового волокна – одна из самых часто обсуждаемых тем на форумах. Для многих людей выбор зависит стоимости оптического модуля, стоимости системы и стоимости установки.
Стоимость оптического модуля
По сравнению с одномодовыми модулями стоимость многомодовых модулей почти в два-три раза ниже. В таблице ниже приведены примеры одномодовых и многомодовых модулей FS.COM, совместимых с оборудованием Cisco.
Из таблицы видно, что разница в ценах сильно возрастает с увеличением скорости передачи данных.
Стоимость системы
Одномодовое волокно, как правило, ориентировано на работу на большие расстояния, что требует использования модулей с лазерами, которые работают на более длинных волнах с более узкой спектральной шириной. Эти характеристики трансивера в сочетании с необходимостью более точного выравнивания и более прочных разъемов для меньших диаметров сердечника приводят к значительно более высокой стомости модулей и общим более высоким затратам на одноканальные волоконно-оптические соединения.
Способы изготовления модулей в на базе VCSEL, которые оптимизированы для использования с многомодовыми волокнами, легче встраиваются в массивные устройства и являются более дешевыми по сравнению с эквивалентными одномодовыми трансиверами. Несмотря на использование нескольких волоконно-оптических линий и массивов с несколькими трансиверами, существует значительная экономия по сравнению с одномодовыми технологиями, использующими одно- или многоканальную работу по симплекс-дуплексному подключению.
Стоимость установки
Одномодовое волокно часто стоит меньше, чем многомодовое волокно. При построении волоконно-оптической сети 1G, которую вы хотите модернизировать до 10G или быстрее, в конечном итоге экономия на стоимости волокна для одномодового режима позволяет сэкономить половину цены. В то время как многомодовые волокна OM3 или OM4 увеличивают стомость на 35% для SFP модулей. Одномодовое волокно более дорогое, но затраты на замену многомодового волокна значительно выше, особенно если они следуют в порядке: OM1-OM2-OM3-OM4. Для разницы между OM3 и OM4, пожалуйста, прочтите: OM3 патч-корд vs OM4 патч-корд: какой выбрать?
На сегодняшний день цена на использования одномодового режима снижается. Но если вам необходимо 10G соединение, до сих пор возможно использовать многомодовый режим работы.
Одномодовое волокно vs многомодовое волокно: правила выбора
Учитывая описанные характеристики многомодовых и одномодовых волокон, можно привести рекомендации по выбору типа волокна в зависимости от производительности приложения и расстояния, на котором оно должно работать:
для скоростей свыше 10 Гбит/с выбор в пользу одномодового волокна независимо от расстояния
для 10-гигабитных приложений и расстояний свыше 550 м выбор также в пользу одномодового волокна
для 10-гигабитных приложений и расстояний до 550 м также возможно применение многомодового волокна OM4
для 10-гигабитных приложений и расстояний до 300 м также возможно применение многомодового волокна OM3
для 1-гигабитных приложений и расстояний до 600-1100 м возможно применение многомодового волокна OM4
для 1-гигабитных приложений и расстояний до 600-900 м возможно применение многомодового волокна OM3
для 1-гигабитных приложений и расстояний до 550 м возможно применение многомодового волокна OM2
Вывод
Одномодовая оптическая кабельная система подходит для приложений передачи данных на длинные расстояния и широко используется в сетях операторов связи, MAN и PON. Многомодовая волоконно-оптическая кабельная система имеет более короткий охват и широко используется на предприятиях, в центрах обработки данных и локальных сетях. Независимо от того, какой из них вы выбираете, исходя из общей стоимости волокна, выбор того, который наилучшим образом соответствует потребностям вашей сети, является важной задачей для каждого сетевого дизайнера.
Одномодовое кварцевое оптическое волокно
Волокна из кварцевого стекла, получившие наибольшее распространение в системах телекоммуникаций, разделяют на две основных категории – одномодовое (SM – single-mode) и многомодовое (MM – multimode). Оба типа имеют свои преимущества и недостатки, которые необходимо учитывать при проектировании линии связи. Многомодовому оптическому волокну посвящена отдельная статья. Базовые вопросы волоконно-оптической связи (понятие оптоволокна, его основные характеристики, понятие моды…) обсуждаются в статье «Оптическое волокно».
Структура одномодового волокна и особенности передачи оптического излучения
Одномодовое волокно, как следует из названия, способно распространять на рабочей длине волны только одну основную (фундаментальную) моду оптического излучения. Одномодовый режим достигается за счет очень маленького диаметра сердцевины (обычно 7-10 мкм). Основная мода распространяется вблизи центральной оси волокна, при этом часть оптической мощности распространяется в оболочке, что повышает требования к оптическим свойствам оболочки. Чтобы учесть эту особенность, для описания одномодового оптического волокна помимо диаметра сердцевины используется еще и такой параметр, как диаметр модового пятна, который определяется как диаметр окружности, на которой мощность излучения уменьшается в е раз. Иными словами, в пределах этой окружности распространяется бо́льшая часть оптического излучения. (рис. 1). Очевидно, что диаметр модового пятна чуть больше диаметра сердцевины.
Рис. 1. Понятие модового пятна
Применительно к одномодовому оптическому волокну также вводится параметр длины волны отсечки. Если длина волны излучения меньше длины волны отсечки, в волокне начинают распространяться несколько мод, то есть оно становится многомодовым. Это важно учитывать при выборе рабочей длины волны. В стандартном одномодовом волокне длина волны отсечки имеет величину 1260 нм. Типичные рабочие длины волн для одномодового кварцевого волокна – 1310 и 1550 нм (второе и третье окна прозрачности, затухание меньше 0,4 дБ/км, см. рис. 2).
Рис. 2. Затухание в одномодовом кварцевом волокне
Набольшее распространение в телекоммуникациях получило кварцевое одномодовое волокно с соотношением диаметров сердцевины и оболочки 9/125 мкм. Как и в случае многомодового волокна, на одномодовое волокно наносится первичное защитное покрытие диаметром примерно 250 мкм (бывают другие размеры).
Отличия от многомодового волокна
В одномодовом волокне отсутствует межмодовая дисперсия, то есть уширение сигнала во времени из-за разницы в скорости распространения мод. Поэтому одномодовое волокно характеризуется очень большой величиной ширины полосы пропускания (десятки и даже сотни ТГц*км). Стандартное одномодовое волокно имеет ступенчатый профиль показателя преломления.
Величина затухания в одномодовом оптоволокне в несколько раз меньше, чем в многомодовом и примерно в 1000 раз меньше, чем затухание в кабеле на витой паре Cat6 (данные для частоты 500 МГц).
Таким образом, одномодовое волокно позволяет передавать информацию на очень большие расстояния (до 300 км) на высокой скорости без ретрансляции (восстановления) сигнала, причем характеристики передачи определяются главным образом свойствами активного оборудования.
С другой стороны, одномодовое волокно требует большой точности при вводе излучения и при стыковке оптических волокон друг с другом, что повышает стоимость используемых волоконно-оптических компонентов (активное оборудование, соединительные изделия) и усложняет процесс монтажа и обслуживания линий.
История и классификация
Первые одномодовые волокна появились в начале 1980-х годов и, благодаря своим отличным характеристикам передачи, стали активно использоваться в протяженных линиях связи. В то же время для передачи на короткие расстояния, например, в локальных сетях, продолжалось использование многомодового волокна. Со временем, в связи с уменьшением стоимости как самого волокна, так и компонентов для него, одномодовое волокно стало завоевывать все большую популярность и в непротяженных сетях. Таким образом, сегодня кварцевое одномодовое волокно является самым распространенным типом оптического волокна для передачи информации.
Для многомодовых волокон традиционным стало деление на 4 класса (OM1, OM2, OM3, OM4), в соответствии со стандартом ISO/IEC 11801. Для одномодового волокна существует похожее деление, однако оно далеко не так однозначно.
Международный стандарт ISO/IEC 11801 и европейский стандарт EN 50173, выпущенные в 1995 году, описывали только один тип одномодового волокна, получивший обозначение OS1 (Optical Single-Mode). Величина затухания, указанная для него, составляла 1 дБ/км на длинах волн 1310 и 1550 нм. По мере увеличения скорости и дальности передачи информации, стало ясно, что оптоволокно с таким затуханием уже не отвечает необходимым требованиям. Поэтому появилась новая категория одномодового волокна, названная OS2, в котором затухание было менее 0,4 дБ/км, причем это оптическое волокно имело низкий водный пик (увеличение затухания на длине волны 1383 нм, см. рис. 2). Параметры затухания указывались для волокна, заключенного в кабель. Традиционно считалось, что OS1 следует применять в кабелях с плотным буфером (tight buffer) для внутренней прокладки, а OS2 – в кабелях со свободным буфером (loose tube) для наружной прокладки.
В дальнейшем стандарты ISO/IEC и EN несколько раз переиздавались, и в них появлялись отличия в описании волокон OS1 и OS2. Это стало причиной путаницы в этих понятиях. Однако стоит отметить, что сегодня одномодовое волокно с затуханием 1 дБ/км практически не выпускается. Поэтому, в сущности, необходимость в такой классификации отпадает. Часто производители одномодовых волокон и кабелей обозначают свои изделия как OS2.
В дальнейшем появилось еще несколько разновидностей одномодовых кварцевых волокон, характеристики которых отличаются более существенно. Эти волокна были описаны в стандартах ITU-T G.652-657, IEC 60793-2-50, TIA-492CA/TIA-492EA. Отметим некоторые из этих разновидностей, которые представляют практический интерес в телекоммуникациях. Для определенности будем пользоваться рекомендациями ITU-T, которые чаще всего используются по отношению к одномодовому оптоволокну.
Типы одномодовых волокон
1. Одномодовое волокно с несмещенной дисперсией, G.652
Наиболее распространенный тип одномодового волокна с точкой нулевой хроматической дисперсии на длине волны 1300 нм. Стандарт выделяет четыре подкласса (A, B, C и D), отличающихся своими характеристиками. Особо стоит отметить волокна G.652.C и G.652.D – они имеют низкое затухание на длине волны 1383 нм, то есть в области «водного пика», а потому могут использоваться в системах CWDM. Такие волокна еще называют «всеволновыми».
2. Одномодовое волокно с нулевой смещенной дисперсией, G.653
(ZDSF – Zero Dispersion-Shifted Fiber)
Изменяя профиль показателя преломления, можно сдвинуть точку нулевой дисперсии в третье окно прозрачности (1550 нм), что позволяет увеличить дальность передачи сигнала при работе в этом диапазоне.
3. Одномодовое волокно со смещенной длиной волны отсечки, G.654
Этот тип волокна имеет точку нулевой дисперсии на 1300 нм. Однако благодаря чуть большему диаметру сердцевины длина волны отсечки и область минимального затухания смещены в область длин волн 1550 нм. Такое оптоволокно может использоваться для цифровой передачи на большие расстояния, например, в наземных системах дальней связи и магистральных подводных кабелях с оптическими усилителями.
4. Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией, G.655
(NZDSF – Non-Zero Dispersion Shifted Fiber)
Предназначено для передачи на длинах волн вблизи 1550 нм и оптимизировано для систем DWDM. Абсолютное значение коэффициента хроматической дисперсии в этом волокне больше некоего ненулевого значения в диапазоне длин волн от 1530 нм до 1565 нм. Ненулевая дисперсия препятствует возникновению нелинейных эффектов, которые особенно вредны для DWDM систем.
5. Одномодовое волокно c ненулевой смещенной дисперсией для широкополосной передачи, G.656
Подобно волокну G.655, имеет ненулевое значение коэффициента хроматической дисперсии, но уже в диапазоне длин волн 1460-1625 нм, поэтому хорошо подходит как для систем DWDM, так и для CWDM.
6. Одномодовое волокно, не чувствительное к потерям на макроизгибе, G.657 (Bend-Insensitive)
Помимо оптических свойств, важную роль играют и механические характеристики оптоволокна, в частности, его чувствительность к изгибам. Особенно это важно при прокладке внутри помещения, где волокно часто нужно изгибать. Стандарт G.657 выделяет несколько подклассов одномодового волокна, отличающихся минимальным радиусом изгиба и соответствующей величиной потерь (на одном или нескольких витках).
Описанные стандарты оптических волокон не всегда взаимоисключают друг друга. К примеру, распространенное оптоволокно компании Corning марки SMF-28® Ultra соответствует стандартам G.652.D и G.657.A1. В то же время бывают случаи, когда оптические волокна разных типов не совместимы друг с другом.
Активные компоненты
Поскольку одномодовое волокно имеет маленький диаметр сердцевины, в качестве источников излучения для него используются узконаправленные полупроводниковые лазеры, работающие во втором и третьем окнах прозрачности кварцевого волокна. Как правило, используются следующие типы лазеров:
1) Лазер с резонатором Фабри-Перо (FP – Fabry-Perot) – простейший тип полупроводникового лазера, характеризующийся большой шириной спектра (2 нм). Широкий спектр приводит к увеличению влияния хроматической дисперсии, что ограничивает расстояние передачи сигнала.
2) Лазер с распределенной обратной связью (DFB – distributed feedback) имеет конструкцию, способствующую уменьшению ширины спектра излучения до 0,1 нм, что позволяет использовать такие лазеры в более высокоскоростных и протяженных системах.
3) Лазер с внешней модуляцией (EML – externally modulated laser). Предыдущие типы излучателей относятся к категории лазеров с внутренней (прямой) модуляцией, при которой мощность излучения модулируется непосредственно током питания лазера. В системах, где важную роль играет стабильность длины волны излучения (например, в высокоскоростных системах и в системах WDM) применяются DFB лазеры, излучение которых модулируется внешним устройством модулятором.
Применение одномодового волокна
Итак, использование одномодового кварцевого волокна позволяет осуществить передачу информационного сигнала на десятки и даже сотни километров на высокой скорости (десятки Гбит/с).
Кроме того, как уже было отмечено выше, некоторые виды одномодового волокна можно использовать в сетях со спектральным уплотнением каналов (CWDM, DWDM), когда по одному оптоволокну одновременно распространяется излучение на нескольких длинах волн, причем в обоих направлениях (рис. 3). Это позволяет увеличить скорость передачи и объем передаваемой информации еще в большей степени. Частным случаем применения спектрального уплотнения является пассивная оптическая сеть (PON), в которой информация передается на трех длинах волн (1310, 1490 и 1550 нм).
Рис. 3. Каналы CWDM и DWDM и спектр затухания одномодового волокна (сплошная линия – стандартное волокно с водным пиком на 1383 нм, пунктирная линия – волокно с низким водным пиком)