Одномодовый и многомодовый оптический кабель

Какими бывают волоконно-оптические кабели?

Волоконно-оптический кабель — кабель на основе оптических волокон, предназначенный для передачи оптических сигналов в линиях связи, в виде фотонов (света), со скоростью меньшей скорости света из-за не прямолинейности движения.

Волоконно-оптический кабель бывает двух типов – одномодовый и многомодовый. Понимание различия между этими типами кабеля очень важно для правильного их применения при решении тех или иных задач в области телекоммуникаций и связи.

Давайте рассмотрим оба типа волоконно-оптического кабеля и определим, что отличает их друг от друга.

Одномодовый волоконно-оптический кабель
В одномодовом волоконно-оптическом кабеле используются одномодовые оптические волокна. Конструкция одномодового оптического волокна предусматривает ядро волокна и его оболочку. Диаметр ядра волокна составляет 9 мкм (бывают варианты с 8 мкм и 10 мкм), диаметр оболочки волокна 125 мкм. Данный тип волокон пропускает только один луч света (одну моду) по осевой линии ядра волокна. Это гарантирует отсутствие изменений в структуре передаваемого сигнала. Способность передавать импульсы одним лучом исключает модовую дисперсию и также позволяет одномодовому оптоволокну передавать сигнал на дальние расстояния. Допустимые длины световых волн для одномодового волокна находятся в диапазоне 1260-1620 нм.

Одномодовые волокна бывают разных видов:

• одномодовое ступенчатое волокно 8-10/125 мкм;
• одномодовое волокно со смещенной дисперсией 8-10/125 мкм;
• одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией (по профилю показателя преломления это волокно схоже с предыдущим типом волокна).

Одномодовое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления называют стандартным Standard Fiber (SF). Это волокно оптимизировано для второго окна прозрачности (1260-1360 нм). Его длина волны нулевой дисперсии составляет  0D ~ 1.35 мкм.
Стандартные оптические волокна имеют дисперсию на длине волны = 1310 нм менее 3.5 пс/(нм·км), а на длине волны = 1550 нм их дисперсия возрастает до 18 пс/(нм·км), хотя затухание при этом уменьшается до 0.2 дБ/км и они могут с успехом использоваться на этой длине волны. При этом длина участка регенерации обычно ограничивается дисперсией.
С целью оптимизации дисперсионных параметров волокон на длине волны 1.55 мкм, на которой кварцевые оптические волокна имеют минимальное затухание, были разработаны градиентные одномодовые оптические волокна.
Усложняя профиль показателя преломления и делая его форму близкой к треугольной, учёные получили волокна, имеющие длину волны нулевой дисперсии вблизи 1550 нм. Такие оптические получили название оптических волокон со смещенной дисперсией (Dispersion Shifted Fiber - DSF). Эти оптические волокна имеют дисперсию на длине волны 1550 нм менее 3.5 пс/(нм*км), а на длине волны 1310 нм до 18 пс/(нм*км).
Еще один вид одномодовых оптических волокон – оптические волокна с ненулевой смещенной дисперсией (Non Zero Dispersion Shifted Fiber - NZDSF). Эти оптические волокна были разработаны специально для систем спектрального уплотнения (DWDM).
Волокна NZDSF оптимизированы таким образом, что длина волны нулевой дисперсии у них вынесена за пределы полосы пропускания эрбиевого оптического усилителя (такие усилители могут использоваться только в начале или в конце линии; выходная мощность составляет 10-500мВт (10-27дБм)).

Какие же преимущества применения одномодового волоконно-оптического кабеля?

Одним из существенных преимуществ одномодовых волокон является низкое затухание сигнала по сравнению с многомодовыми волокнами. Это позволяет значительно увеличить дальность передачи волоконно-оптических сигналов.
Одномодовый волоконно-оптический кабель может быть использован для передачи волоконно-оптических сигналов на расстояния от 3 метров до 100 и более километров. Дальность передачи оптических сигналов определяется типом применяемого оптического приёмо-передатчика (трансивера) на оборудовании связи.

Многомодовый волоконно-оптический кабель

В многомодовом волоконно-оптическом кабеле используются многомодовые оптические волокна. Конструкция многомодового оптического волокна предусматривает ядро волокна и его оболочку. Диаметр ядра волокна составляет 62,5 мкм (тип волокна OM1, устаревший) либо 50 мкм (тип волокна OM2, OM3, OM4), диаметр оболочки волокна 125 мкм. Данный тип волокон пропускает несколько лучей света (несколько мод) под углом к внутренней поверхности оболочки волокна.

При этом основной недостаток многомодового кабеля заключается в высоком коэффициенте отражения сигнала от внутренней поверхности оболочки, что увеличивает модовую дисперсию и существенно влияет на уровень затухания оптического сигнала в кабеле. Дальность распространения оптических сигналов в многомодовом кабеле не превышает 550м.

Многомодовые волокна бывают разных видов:

Волокно OM1 обычно поставляется с оранжевой оболочкой и имеет размер ядра 62,5 мкм. Он может поддерживать 10 Gigabit Ethernet на длине до 33 метров. Это наиболее часто используется для 100-мегабитных приложений Ethernet. Этот тип обычно использует светодиодный источник света.

Волокно OM2 также поставляется с оранжевой оболочкой и использует светодиодный источник света, но с меньшим размером ядра 50 мкм. Он поддерживает до 10 Gigabit Ethernet на длине до 82 метров, но чаще используется для приложений 1 Gigabit Ethernet.

Волокно OM3 поставляется с оболочкой цвета морской волны. Как и у OM2, его размер составляет 50 мкм, но кабель оптимизирован для лазерного оборудования. OM3 поддерживает 10 Gigabit Ethernet на длине до 300 метров. Кроме того, OM3 может поддерживать 40 Gigabit Ethernet и 100 Gigabit Ethernet на расстоянии до 100 метров, однако чаще всего используется 10 Gigabit Ethernet.

Волокно OM4 полностью обратно совместимо с волокном OM3 и имеет ту же отличительную оболочку цвета морской волны. OM4 был разработан специально для передачи лазера VSCEL и обеспечивает пропускную способность 10 Гбит / с до 550 м по сравнению с 300 м с OM3. И он может работать от 40/100 ГБ до 150 метров, используя разъем MPO.

Волокно OM5, также известное как WBMMF (широкополосное многомодовое волокно), является новейшим типом многомодового волокна и обратно совместимо с OM4. Оно имеет тот же размер ядра, что и OM2, OM3 и OM4. Цвет оболочки волокна OM5 был выбран как салатовый. Он разработан и предназначен для поддержки как минимум четырех каналов WDM с минимальной скоростью 28 Гбит / с на канал через окно 850-953 нм.
Какие же преимущества применения многомодового волоконно-оптического кабеля?
Способность одновременно передавать несколько лучей света (несколько мод) по одному кабелю является преимуществом многомодового кабеля перед одномодовым кабелем. Так как позволяет одновременно передавать по одному кабелю несколько протоколов передачи данных – Ethernet, InfiniBand и пр.

Также к преимуществам применения многомодового кабеля по отношению к одномодовому можно отнести существенно более низкую стоимость оптических приёмо-передатчиков (трансиверов), при одинаковой скорости передачи данных на участках кабеля, длины которых характерны для применения в центрах обработки данных, структурированных кабельных сетей зданий и кампусов.

Основные виды применения одномодовых и многомодовых кабелей

Одномодовые кабели в основном применяются в области связи и сетей передачи данных масштаба района, города, страны. При этом в настоящее время одномодовые кабели также применяются для построения внутренних транспортных сетей административных зданий и кампусов, в связи с существенным падением стоимости одномодовых оптических приёмо-передатчиков (трансиверов), вызванным стремительным развитием технологий и оборудования сетей передачи данных.

Многомодовые оптические кабели в настоящее время применяются в рамках сетей передачи данных в центрах обработки данных (для унификации сетей передачи данных под разные протоколы, такие как Ethernet, Fiber Channel, InfiniBand), а также для построения внутренних транспортных сетей административных зданий и кампусов.