3.4.6. Многомодовые волокна со ступенчатым и плавным изменением показателей преломления

Термин "многомодовые" применяется обычно к волокнам с диаметром 50 мкм и более. Из за сравнительно большого диаметра сердечника вдоль сердечника могут распространяться несколько мод светового излучения. Как было показано в разделе 3.4.2, распространение нескольких мод по волокну является причиной модовой дисперсии.

Модовая дисперсия, имеющая место в многомодовом волокне, влияет или испытывает влияние со стороны ряда рабочих параметров волокна.

Затухание

Рабочее расстояние многомодовых волокон приблизительно 5 км.

Полоса пропускания

Максимальная скорость передачи данных в многомодовых волокнах приблизительно 2-300 Мбит/с.

Длина волны

Они обычно работают с длинами волн 850 или 1300 нм. Некоторые волокна способны работать с обеими длинами волн (различные физические стандарты связи используют разные рабочие длины волн).

Большой диаметр многомодового волокна позволяет использовать в качестве источников светового излучения светодиоды. Это, в свою очередь делает систему передачи значительно дешевле по сравнению с системой, использующей волокна с меньшим диаметром и требующей использования лазеров. Недавнее начало использования лазеров VCSEL (см. главу 6) значительно снизило стоимость лазеров, и они стали использоваться с многомодовыми волокнами для высокоскоростных каналов связи до 10 Гбит/с (на расстояниях менее 90 м). Еще одним преимуществом многомодовых волокон является то, что большой диаметр упрощает оконцовку и сращивание, что делает конечную установленную систему дешевле.

Многомодовые волокна изготавливаются в трех основных типоразмерах. Следующий раздел обсуждает преимущества и недостатки каждого. В начале каждого из следующих трех разделов показана спецификация волокна, а затем - значение каждой части спецификации.

Сердечники с диаметром 50 микрон

50/125/250 мкм	50 мкм диаметр сердечника 125 мкм - диаметр оболочки 250 мкм - диаметр кожуха
50/125/900 мкм	900 - мкм диаметр кожуха с плотным буфером

Волокно с этим определенным размером широко используется в Европе.

Затухание

По сравнению с двумя другими обсуждаемыми типоразмерами, в данном волокне сигнал имеет меньшее затухание. С другой стороны, меньший диаметр волокна не позволяет получить столько же энергии для сигнала от светодиода.

Полоса пропускания

В целом данный вид волокна имеет большую полосу пропускания, чем другие два вида, и достигает больших скоростей передачи. Большая полоса пропускания образуется за счет меньшей модовой дисперсии.

Числовая апертура

Из трех типоразмеров у этого волокна наименьшая апертура, обычно около 0,2. Сравнительно маленькие значения размера сердечника и апертуры приводят к тому, что через стык данного волокна передается наименьшее количество энергии от источника света. Для длинных отрезков кабеля это компенсируется меньшим затуханием.

Сердечники с диаметром 62,5 микрон

62,5/125/250 мкм	62,5 мкм - диаметр сердечника 125 мкм - диаметр оболочки 250 мкм - диаметр кожуха
62,5/125/900 мкм	900 мкм диаметр - кожуха с плотным буфером

Волокна этого типоразмера преимущественно используются в США и регионах Азии и Австралии.

Затухание

По сравнению с двумя другими типоразмерами волокон, затухание сигнала незначительно 1выше, чем для волокна с диаметром 50 мкм, и значительно ниже, чем для волокна с диаметром 100 мкм.

Полоса пропускания

Полоса пропускания этого волокна лишь ненамного меньше, чем у волокна диаметра 100 мкм. Поэтому оно используется в системах, работающих с теми же скоростями передачи, что системы с волокнами диаметра 50 мкм.

Числовая апертура

У этого волокна сравнительно высокая апертура, приближающаяся к апертуре волокна диаметра 100 мкм, обычно около 0,275. Большая апертура этого волокна позволяет принимать примерно на 5 дБ большую мощность по сравнению с волокном диаметра 50 мкм при подключении к одному и тому же источнику. Это обычно компенсирует меньшие параметры затухания волокна в 50 мкм на дистанциях в несколько километров и позволяет использовать на таких же расстояниях передачи.

Сердечники с диаметром 100 микрон

100/140/250 мкм

100 мкм - диаметр сердечника 140 мкм - диаметр оболочки 250 мкм - диаметр кожуха

В современных коммерческих и промышленных коммуникационных приложениях этот типоразмер используется редко. Это волокно было одним из первых, представленных на рынке и имело большой диаметр сердечника из-за ограничений технологии производства.

Затухание

Параметры затухания этого волокна вдвое превышают соответствующие параметры волокон диаметра 50 и 62,5 мкм. Это не подходит для большинства коммуникационных приложений.

Полоса пропускания

Из трех типоразмеров здесь наименьшая полоса пропускания, составляющая примерно от 20 до 30% полосы пропускания первых двух волокон. Поэтому поддерживаются лишь низкие скорости передачи.

Числовая апертура

По сравнению с другими многомодовыми волокнами, у этого волокна наибольшая, апертура, обычно около 0,290. При подключении к одному и тому же источнику светового, излучения это добавляет примерно 9 дБ по сравнению с кабелем в 50 мкм. Из-за большего диаметра его проще сращивать и подключать к передатчикам и приемникам. Апертура этого волокна лишь ненамного больше, чем у волокна диаметра 62,5 мкм, и не компенсирует очень высокое затухание и низкую пропускную способность.

Отметим, что волокно диаметра 50 мкм можно использовать с наконечниками и передающим и принимающим оборудованием для волокон диаметра 62,5 мкм, поскольку у обоих типоразмеров одинаковый диаметр оболочки. При этом будет небольшая потеря из-за несовпадения сердечников волокон.

Многомодовые волокна изготавливают двух видов:
• со ступенчатым профилем показателя преломления;
• с плавным профилем показателя преломления.

Волокна со ступенчатым профилем показателя преломления

Волокно со ступенчатым профилем состоит из стеклянного сердечника с постоянным показателем преломления на всем сечении, окруженного оболочкой с другим постоянным на всем сечении показателем преломления. Из-за скачкообразного изменения показателя преломления свет отражается от поверхности сердечник/оболочка и проходит внутри сердечника. Профиль показателя преломления этого вида волокна показан на рис. 3.18.

Рис. 5.18. Волокна со ступенчатым профилем показателя преломления

Показатель преломления сердечника (N₁) обычно 1,48, а оболочки (N₂) - примерно 1,46. Типичный угол приема (θ₁) около 14°.

У волокон со ступенчатым профилем значительная модовая дисперсия. Она составляет от 15 до 40 наносекунд на километр и ограничивает полосу пропускания примерно до 25 МГц/км. Это, в свою очередь, ограничивает скорость цифровой передачи до значений, не (превышающих 10 Мбит/с/км. Это приемлемо для многих промышленных приложений, где требуются лишь небольшие скорости передачи, но недостаточно для большинства (коммерческих телекоммуникационных приложений, для которых требуются значительно большие скорости передачи данных.

Волокна с плавным профилем показателя преломления

У многомодового волокна с плавным профилем показатель преломления сердечника постепенно меняется на протяжении его сечения. В центре сердечника показатель преломления максимальный; он постепенно снижается к краям сердечника. Из-за плавного изменения показателя преломления световые лучи по мере продвижения по сердечнику искривляются (а не отражаются, как в волокнах со ступенчатым профилем) и образуют в волокне набор синусоидальных световых волн. Это показано на рис. 3.19.

Рис. 5.19. Передача по многомодовому волокну с плавным профилем показателя преломления

Практическим результатом этого профиля переменного показателя преломления является то, что световые лучи, проходящие дальше от оси сердечника, проходят большее расстояние, но движутся через стекло с меньшим показателем преломления быстрее (в соответствии с законом Снелла). Световые лучи, движущиеся вблизи от центра сердечника, проходят меньшее расстояние, но движутся через стекло с большим показателем преломления и поэтому медленнее. В результате все лучи имеют тенденцию прибывать в центральную точку оси волокна в одно и то же время, что означает значительное снижение модовой дисперсии.

Показатель преломления центра сердечника равен приблизительно 1,48, по мере приближения к оболочке он постепенно снижается до 1,46. Угол приема θ₁ обычно около 12° (апертура приблизительно 0,2).

На практике у волокон с плавным профилем модовая дисперсия ниже 5 наносекунд, а полоса пропускания кабелей высокого качества достигает 2 ГГц/км (у стандартных доступных волокон - 600 МГц/км) для рабочих длин волн как 850 мкм, так и 1300 мкм. Это позволяет использовать скорости передачи данных до 2-300 Мбит/с для кабеля с 600 МГц/км и вплоть до 1 Гбит/с для волокна с параметрами лучше 2 ГГц/км (причем в последнем случае используются лазерные передающие устройства VCSEL). Этот тип волокон подходит практически для всех промышленных приложений и для ряда коммерческих коммуникационных приложений. Хотя модовая дисперсия волокон с плавным профилем по сравнению со ступенчатым профилем ниже, она все еще значительна и имеет ограничивающий эффект на полосу пропускания.

Некоторые волокна с плавным профилем изготавливают таким способом, что между показателями преломления сердечника и оболочки нет разницы, он просто постепенно снижается от. центра оси в сторону кожуха.

Стандарты

Международный стандарт по оборудованию кабелями помещений пользователей ISO/IEC 11801, который содержит рекомендации для кабелей как на медной, так и волоконно-оптической основе, классифицирует различные виды многомодовых волокон для использования в помещениях пользователей. На момент написания данной книги стандарт находился в стадии пересмотра и обновления.

Стандарт предусматривает детали по трем классам многомодовых волокон (от ОМ1 до ОМЗ) и одному классу одномодовых волокон (OS1). Он детализирует необходимое минимальное произведение пропускной способности на километр, ожидающееся от каждого из кабелей. Он также разграничивает использование с кабелями светодиодов и лазеров (обычно используются VCSEL - см. главу 6). Следующая таблица показывает произведения полосы пропускания на расстояние1 для каждого из трех классов многомодовых волокон.

Табл.3.1. Произведение полосы пропускания на расстояние для трёх классов многомодовых волокон

Класс волокна	Светодиод 850 нм	Светодиод 1300 нм	Лазер 850 нм
ОМ 1	200 МГц*км	500 МГц*км	-
ОМ 2	500 МГц*км	500 МГц*км	-
ОМ 3	1500 МГц*км	500МГц*км	2000 МГц*км

Хотя в многомодовом волокне с помощью светодиодов можно достичь скорости 1 Гбит/с, в обычной практике не создают линий связи с такими скоростями с использованием светодиодов. Предпочтительным способом является использование более дешевых лазерных продуктов (VCSEL), обеспечивающих скорости передачи данных вплоть до 10 Гбит/с с одномодовыми волокнами уровня ОМ-3. Приложения Ethernet на многомодовых волокнах работают теперь на расстояниях до 500 м при длине волны 850 нм. Недавно были реализованы системы VCSEL на 1300 нм, a VCSEL на 1550 нм до сих пор находятся в стадии разработки.