XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

На сегодняшний день оптические линии связи успешно конкурируют с традиционными медными линиями и беспроводными технологиями. Именно оптическому волокну мы во многом обязаны резким увеличением объема и скорости передаваемой по всему миру информации за последние годы и, в частности, развитием Интернета. Более того, с каждым годом оптическое волокно становится все ближе к потребителю и осваивает все новые сферы применения.

Целью данной работы является исследование кварцевых оптических волокон и их применения в коммуникации на дальних дистанциях.

Оптическое волокно (оптоволокно) – это волновод с круглым поперечным сечением, по которому передается электромагнитное излучение оптического диапазона (обычно ближний ИК и видимый свет).

Разновидности оптического волокна

Основными критериями, по которым проводится классификация, можно считать следующие два:

Материал, из которого изготавливается сердцевина и оптическая оболочка. Оптоволокно может изготавливаться не только из кварцевого стекла, но и из других материалов, в частности из полимеров.

Количество распространяющихся мод. В зависимости от геометрических размеров сердцевины и оболочки и величины показателя преломления в оптическом волокне может распространяться только одна или же большое количество пространственных мод. Поэтому все оптические волокна делят на два больших класса: одномодовые и многомодовые.

Рисунок 1. Структура оптического волокна

Таким образом, можно выделить четыре больших класса оптических волокон

Кварцевое многомодовое волокно.

Кварцевое одномодовое волокно.

Пластиковое или полимерное оптоволокно (POF).

Кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS).

На рисунке 1 изображены поперечные сечения для этих четырех типов оптических волокон (при этом соотношение размеров – диаметров волокна сохранено).

Однако вернемся к нашей теме и рассмотрим оптоволокно, в котором используют именно кварц, и рассмотрим каждый из разновидностей более подробно.

Рисунок 2. Диаметр оптоволокна

Кварцевое многомодовое волокно

Многомодовое кварцевое волокно имеет и сердцевину, и оптическую оболочку из кварцевого стекла. Как правило, такое оптоволокно имеет градиентный профиль показателя преломления. Это необходимо, чтобы снизить влияние межмодовой дисперсии. Как было показано выше, моды распространяются в оптическом волокне по разным траекториям, а значит, время распространения каждой моды также отличается. Это приводит к уширению передаваемого импульса. Градиентный профиль уменьшает разницу во времени распространения мод. За счет плавного изменения показателя преломления моды высшего порядка, которые попадают в волокно под большим углом и распространяются по более длинным траекториям, имеют и большую скорость, чем те, которые распространяются вблизи сердцевины. Полностью устранить влияние межмодовой дисперсии невозможно, поэтому многомодовое волокно уступает одномодовому по дальности и скорости передачи информации.

Рисунок 3. Преломление лучей внутри многомодового оптоволоконного кабеля

Применение. Многомодовое волокно применяется в непротяженных линиях связи (обычно сотни метров), причем волокно 50/125 мкм (OM2, OM3, OM4) используется в основном в локальных сетях и дата-центрах, а волокно 62,5/125 мкм часто применяется в индустриальных сетях. В гигабитных приложениях рекомендуется применять волокна классов OM3 и OM4. Причина, по которой многомодовое волокно до сих пор не вытеснено одномодовым волокном, обладающим лучшими характеристиками, заключается в меньшей стоимости компонентов линии (активное оборудование, соединительные изделия). Цена снижается из-за большего диаметра сердцевины многомодового волокна, и, соответственно, меньших требований к точности изготовления и монтажа компонентов.

Кварцевое одномодовое волокно

В одномодовом волокне, как следует из названия, распространяется только одна (основная) мода излучения. Это достигается за счет очень маленького диаметра сердцевины (обычно 8-10 мкм). Диаметр оптической оболочки такой же, как и у многомодового волокна – 125 мкм. Отсутствие других мод положительно сказывается на характеристиках оптоволокна (нет межмодовой дисперсии), увеличивая дальность передачи без ретрансляции до сотен километров и скорость до десятков Гбит/с (приводим стандартные значения, а не те «рекордные», которые достигаются в исследовательских лабораториях). Затухание в одномодовом волокне также крайне низкое (менее 0,4 дБ/км).

Рисунок 4. Преломление лучей внутри одномодового оптоволоконного кабеля

Применение. Одномодовое кварцевое волокно, безусловно, является самым распространенным типом оптоволокна. С его помощью можно организовать передачу высокоскоростного сигнала на очень большие расстояния, а применение технологии спектрального уплотнения каналов (CWDM/DWDM) позволяет в разы увеличить пропускную способность линии связи. Одномодовое волокно часто применяется и на коротких дистанциях, например, в локальных сетях.

Кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS)

HCS-волокно – это многомодовое оптическое волокно большого диаметра с сердцевиной из кварцевого стекла и оболочкой из полимерного материала. Наибольшее распространение в телекоммуникациях получило HCS-волокно с диаметром сердцевины и оболочки 200/230 мкм и ступенчатым показателем преломления. В других областях, таких как медицина и научные исследования, могут использоваться HCS-волокна с большим диаметром сердцевины (300, 400, 500 мкм…).

Рисунок 5. Структура HCS кабеля

Применение. В целом, области применения HCS схожи с областями применения POF, с той лишь только разницей, что расстояние передачи при использовании HCS-волокна увеличивается до нескольких километров (благодаря меньшему затуханию).

Выводы

Подведем итоги. Как видим, зачастую выбор оптического волокна для создания линии связи не ограничивается выбором одномод VS многомод, однако если мы говорим о довольно больших дистанциях, то безусловно выбор в пользу кварцевого оптоволокна очевиден. Для простых дешевых оптоволоконных систем возможны расстояния между повторителями до 5 км. Для высококачественных коммерческих систем теперь без труда доступны расстояния между повторителями до 300 км. Были разработаны системы (без использования повторителей) на расстояния до 400 км. В лабораторных условиях достигнуты расстояния, близкие к 1000 км, но на рынке они пока недоступны.

Литература

1. Классификация оптического волокна [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://habr.com/company/efo/blog/301132/– загл. с экрана (дата обращения: 21.12.2018 )

2. Многоязычная универсальная интернет-энциклопедия [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BF%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B5_%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%BA%D0%BD%D0%BE – загл. с экрана (дата обращения: 21.12.2018 )

3. Материалы, применяемые для изготовления оптического кабеля [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://msd.com.ua – загл. с экрана (дата обращения: 21.12.2018 )

Код для цитирования: Скопировать