Оптический световод (волокно) – канал из прозрачного материала, обеспечивающий передачу излучения на большие расстояния за счет явления полного внутреннего отражения.

Явление полного внутреннего отражения имеет место тогда, когда луч, распространяющийся в оптически более плотной среде (на рисунке показана синим цветом), подходит к границе раздела с оптически менее плотной средой (на рисунке показана голубым цветом) под пологим углом. Поскольку в оптике углы принято отсчитывать от нормали, то угол θ должен превышать критический угол αc, по возможности приближаясь к 90º. В этом случае луч отразится обратно в оптически более плотную среду – граница раздела сред для него будет непроницаема. Отражение произойдет под таким же углом θ, что и падение, но главное – в таких условиях отражение произойдет полностью, без потерь. На рисунке такой луч показан зеленым цветом.

ЛВС на базе оптического волокна

Оптически менее плотная среда

 

Оптически более плотная среда

 

 

Если угол падения φ1 будет меньше критического угла αc (красный луч), то на границе часть излучения претерпит преломление и покинет пределы оптически более плотной среды (угол выхода будет другим – φ2, поскольку показатели преломления сред отличаются друг от друга), другая же составляющая красного луча претерпит отражение и вернется в исходную среду, однако с существенной потерей мощности.

Для передачи сигналов на большое расстояние в оптических световодах реализуется полное внутреннее отражение. Для этого достаточно, чтобы разница в показателях преломления составляла сотые или тысячные доли единицы, а лучи подходили к границе раздела сред по пологой траектории. Оптически более плотная среда – центральная часть волокна, ядро (сердечник). Чтобы сигнал чрезмерно не затухал из-за прохождения через толщу вещества, необходимо, чтобы материал ядра был прозрачен и вызывал как можно меньшее рассеяние излучения. В передаче данных для этой цели используется кварцевое стекло – один из наиболее прозрачных и одновременно стабильных материалов, обладающих приемлемыми механическими характеристиками и ценой.

Для организации границы раздела ядро обрамляется оптически менее плотной средой. Англоязычное название этого элемента световода – cladding; в отечественной литературе его называют оболочкой, однако это создает путаницу с другими оболочками, поэтому лучше использовать термин «демпфер». Задача демпфера – создать границу раздела сред, сам он не предназначен для распространения излучения. В принципе, было бы достаточно слоя демпфера толщиной в несколько микрон, однако механические свойства кварцевого стекла (его склонность к образованию микротрещин при вытягивании из заготовки) и соображения удобства монтажа привели к тому, что демпфер имеет внешний диаметр 125 мкм.

оптическое волокно

1. ядро (сердечник)

2. демпфер

Примечание: совокупность ядра и демпфера образуют световод – минимальную и неразборную конструктивную единицу, обеспечивающую реализацию полного внутреннего отражения.

3. первичное защитное покрытие световода (как правило, акрилат), необходимое для механической защиты

4. буфер, выполняющий функции дополнительной механической защиты волокна и цветовой идентификации.

На сегодняшний день среди прежнего многообразия оптических кабелей на рынке остались одномодовые волокна с диаметром ядра 8-9 мкм и многомодовые волокна с диаметром ядра 62.5 мкм или 50 мкм. Волокно 62.5 мкм постепенно выходит из использования, поскольку поддерживает 1-гигабитные приложения только на короткие расстояния и уступает по характеристикам волокну 50 мкм. В зависимости от производительности многомодовые волокна делятся на классы OM1-OM4, одномодовые – на классы OS1-OS2; это подробно описано в статье «Одномодовый и многомодовый волоконно-оптический кабель: отличия и правила выбора». Чем выше класс волокна, тем более требовательные приложения оно способно поддерживать.

Поддержка приложений Ethernet многомодовыми волокнами

Приложение

Мин. кол-во волокон

Гарантированное расстояние поддержки
приложения в многомодовых системах, м

OM1

OM2

OM3

OM4

10/100BASE-SX

2

300

300

300

300

100BASE-FX

2

2000

2000

2000

2000

1000BASE-SX

2

275

550

1000

1100

1000BASE-LX

2

550

550

550

550

10GBASE-S

2

33

82

300

400

10GBASE-LX4

2

300

300

300

300

10GBASE-LRM

2

220

220

220

220

40GBASE-SR4

8

100

150

100GBASE-SR4

8

70

100

100GBASE-SR10

20

100

150

 

Поддержка приложений Ethernet одномодовыми волокнами

Приложение

Мин. кол-во волокон

Гарантированное расстояние поддержки
приложения в одномодовых системах, км

1000BASE-LX

2

5

10GBASE-LX4

2

10

10GBASE-E

2

40

10GBASE-L

2

10

40GBASE-LR4

2

10

40GBASE-ER4*

2

40

100GBASE-LR4

2

10

100GBASE-ER4*

2

40

 

* Сегменты длиннее 30 км (изначально указанной в стандартах цифры) требуют дополнительной инженерной проработки согласно материалам IEEE 802.3.

Ядро и демпфер отличаются составом – к ядру добавляется присадка, незначительно увеличивающая показатель преломления. Материал, из которого изготовлено ядро, дороже материала демпфера, в результате многомодовые волокна стоят дороже одномодовых, несмотря на то, что последние требуют большей точности при изготовлении. Однако активное оборудование для работы по многомодовому волокну существенно дешевле оборудования для одномода (это касается и светодиодных источников LED в старом оборудовании, и лазеров поверхностного излучения VCSEL в гигабитных системах – все они дешевле лазеров Фабри-Перо, применяемых в одномоде). Поэтому основной критерий для выбора типа волокна – не цена кабеля, а соотношение производительности приложений и расстояния, на котором гарантируется их работа. Данные, приведенные в таблицах выше, служат основой для выбора типа оптики под конкретные приложения.

Волокна из кварцевого стекла довольно хрупкие. После изготовления световода его покрывают как минимум одним слоем защитного покрытия. Как правило, поверх него идет второй защитный слой – буфер, одновременно используемый для цветовой идентификации волокон. Используется 12 базовых цветов: синий, оранжевый, зеленый, коричневый, серый, белый, красный, черный, желтый, фиолетовый, розовый и бирюзовый. Первые десять цветов списка заимствованы из цветовой раскладки 25-парного кабеля. Цвета и их порядок заданы стандартами по принципу контрастности, чтобы монтажникам было проще визуально отличать проводники/волокна друг от друга.

ЛВС на базе оптического волокна: структура оптического провода

При многократных перегибах, особенно если радиус изгиба мал, микротрещины в волокне разрастаются, приводя к ухудшению параметров передачи. Закономерны попытки найти более прочные и стойкие к изгибам материалы, однако пока не удалось найти какое-нибудь соединение с прозрачностью, затуханием и другими свойствами, приближающимися к параметрам кварцевого стекла. Эксперименты по изготовлению и использованию пластиковых волокон показали, что затухание в них для передачи данных недопустимо велико – оно на порядки больше, чем у кварца. Температурная стойкость и выносливость к многократным изгибам пластика представляют интерес, однако пока его область применения ограничивается медициной, рекламными конструкциями, автомобиле- и самолетостроением, областями, где к качеству сигнала нет строгих требований, а расстояние не превышает нескольких метров. Совершенствуется технология изготовления волокон с кварцевой сердцевиной и пластиковым демпфером. Возможно, в перспективе такие решения найдут свое применение в телекоммуникациях.

На сегодня же все волокна для передачи данных делаются только из кварцевого стекла. Крупных мировых производителей немного: Corning, Draka, Fujikura, Sumitomo. И хотя применяемые ими технологические процессы имеют определенные особенности, в целом можно считать, что параметры волокон определенного класса идентичны друг другу и не зависят от конкретного изготовителя. Это объясняется тем, что характеристики волокон жестко регламентируются требованиями стандартов, которым обязаны следовать все изготовители.

Ориентировочные значения затухания в оптических кабелях

Длина волны

Погонное затухание

850

< 3.5 дБ/км (OM1-OM2)

< 3.0 дБ/км (OM3-OM4)

1300

< 1.0 дБ/км (современные многомодовые волокна OM1-OM4)

< 1.5 дБ/км (волокна OM1-OM2, произведенные по старым технологиям)

1310, 1550

< 0.4 ÷ 0.5 дБ/км (одномодовые волокна OS1-OS2, изготовленные по современным технологиям)

< 1.0 дБ/км (одномодовые волокна OS1 для кабелей внутреннего применения, изготовленные по старым технологиям)

1300-1324

< 0.3 ÷ 0.4 дБ/км (одномодовое волокно класса OS2)

Цифры в таблице по мере развития технологий меняются в сторону уменьшения. Однако такие изменения постепенны и очень незначительны. В некоторых источниках для многомодового волокна встречаются значения 2.3 дБ/км и 0.6 дБ/км для окон прозрачности 850 нм и 1300 нм соответственно. Но они относятся не к какому-то более прозрачному или особо качественному волокну, а к обычным световодам, еще не ставшим частью кабеля. Погонные затухания для такого «uncabled fiber» могут быть и ниже, например, 2.1 дБ/км и 0.4 дБ/км для длин волн 850 нм и 1300 нм соответственно. Однако в составе готового кабеля, после многочисленных технологических операций по наращиванию буфера, сведению волокон в сборку, добавлению других конструктивных элементов кабеля и его внешней оболочки исходные параметры волокна неизбежно ухудшаются. Для «cabled fiber», волокна в составе готового кабеля, значения погонного затухания соответствуют тем, что приведены в таблице выше.

ЛВС на базе оптического волокна: окна прозрачности кварцевого стекла

В итоге выбор оптического кабеля делается не по производителю, изготовившему световод, а по его типу (одномод, многомод) и классу характеристик в привязке к расстояниям, на которых необходимо гарантировать работу приложений.

См. также: