Оптическое волокно

Оптическое волокно - нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Волоконная оптика - раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна. Кабели на базе оптических волокон используются в волоконно-оптической связи, позволяющей передавать информацию на большие расстояния с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи. В ряде случаев они также используются при создании датчиков.

Стеклянные оптические волокна делаются из кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как флуоро-цирконат, флуоро-алюминат и халькогенидные стекла. Как и другие стекла, эти имеют показатель преломления около 1,5. В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон.

Оптическое волокно имеет круглое сечение и состоит из двух частей - сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины - 1,479.

Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, испытывая многократные переотражения от границы раздела «сердцевина - оболочка». Все оптические волокна, используемые в телекоммуникациях, имеют диаметр 125±1 микрон. Диаметр сердцевины может отличаться в зависимости от типа волокна и национальных стандартов.

Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 9 микрон. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну лишь одной моды электромагнитного излучения, за счёт чего исключается влияние дисперсионных искажений. В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми.

Существует три основных типа одномодовых волокон:

1. Одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (стандартное) (англ. SMF — Step Index Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи.

2. Одномодовое волокно со смещённой дисперсией (англ. DSF — Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.653. В волокнах DSF с помощью примесей область нулевой дисперсии смещена в третье окно прозрачности, в котором наблюдается минимальное затухание.

3. Одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (англ. NZDSF — Non-Zero Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.655.

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62,5 микрон в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения - каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе - показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т. д.

Стандарты ISO описывают три типа многомодовых волокон - OM1, OM2 и OM3, и только один тип одномодового - OS1. Многомодовые волокна, все три типа, предназначены для передачи на длинах волн 850 нм или 1300 нм, при этом максимальное допустимое затухание составляет соответственно 3.5 и 1.5 дБ/км. Одномодовое волокно OS1 предусматривает передачу на длинах волн 1310 нм или 1550 нм, причем для обеих длин волн максимальное допустимое затухание составляет 1 дБ/км.

Если говорить о различии в многомодовых волокнах, особенно применительно к гигабитным приложениям, необходимо прежде всего уточнить, что в многомоде сейчас используется два разных типа источника: светодиоды LED и лазеры с вертикальным объемным резонатором VCSEL. Хотя были определенные разработки по реализации гигабитных приложений со светодиодными источниками, однако в настоящее время гигабит подразумевает, что либо вы используете одномодовое волокно с классическим лазером, либо многомод с лазером VCSEL. Характеристики волокон при использовании светодиодных источников приведены в таблице:

Тип волокна	Диаметр ядра	Коэффициент широкополосности
		850 нм	1300 нм
OM1	50 или 62,5 мкм	200 МГц х км	500 МГц х км
OM2	50 или 62,5 мкм	500 МГц х км	500 МГц х км
OM3	50 мкм	1500 МГц х км	500 МГц х км

Для лазерных источников стандартами специфицирован только один тип многомодового волокна - OM3, с коэффициентом широкополосности 2000 МГц х км в окне 850 нм. При выборе оптического волокна для реализации конкретных приложений вы можете опираться на приведенные здесь коэффициенты широкополосности, поскольку именно этот параметр указывается в требованиях.

Ошибочно представление, что только волокно OM3 подходит для реализации гигабитных приложений - это не совсем так. На раннем этапе внедрения гигабитных приложений разработчики столкнулись с проблемами передачи, вызванными цепью дефектов, имеющихся в волокне по центральной оси. Однако затем строение волокон и профиль коэффициента преломления были оптимизированы, поэтому современные волокна, маркированные обозначением «laser grade» или «laser optimized», пригодны в том числе и для реализации гигабитных приложений. Весь вопрос только в расстояниях, на которых эти приложения поддерживаются. Здесь можно дать несколько рекомендаций:

• волокно ОМ1 обеспечивает надежную передачу Fast Ethernet
• если речь идет о гигабитных приложениях по многомодовому волокну, выбирайте волокно 50/125 мкм
• в новых сетях, особенно с прицелом будущего использования гигабитных приложений, целесообразно устанавливать волокно не ниже ОМ2 (некоторые производители предлагают т.н. улучшенные волокна ОМ2 - например, ОМ2 Plus), еще лучше использовать ОМ3
• если организация планирует использовать 10-гигабитные приложения, необходимо выбрать либо многомодовое волокно ОМ3, либо одномодовое OS1

В стандарте IEC 60793-2 упоминается также большее количество типов одномодовых волокон (B1.1, B1.2, B1.3, B2, B4) в зависимости от строения и дисперсионных характеристик волокна. Из них B1.1, B1.3 и B4 признаются пригодными для реализации приложений 10 Гбит документом IEEE 802.3ae, в то время как стандарт ISO 11801 признает в качестве волокна OS1 только B1.1 и B1.3.