Виды оптического кабеля: основные типы волоконно-оптических кабелей

Оптоволоконный кабель принципиально отличается по своему строению и принципу действия от других типов кабельно-проводниковой продукции, которая применяется для передачи информационных сигналов. В частности, коаксиальных и FTP кабелей.

Основным элементом волоконно-оптического проводника является стекловолокно. Поэтому в отличие от кабелей с медными и алюминиевыми сердечниками передача сигнала осуществляется при помощи световых, а не электрических импульсов.

Это даёт несколько существенных преимуществ. Прежде всего, на сигнал не влияют электромагнитные волны и внешние наводки, что проявляется в исключительной дальности передачи светового импульса без искажения, которое может составлять несколько десятков километров.

Строение волокон оптического кабеля чем-то напоминает принципиальную структуру коаксиального. Однако для “оптики” используется совершенно иные материалы. Вместо медной токопроводящей жилы – стекловолокно диаметром 1-10 мкм. Внутренняя изоляция из вспененного полиэтилена заменяется стеклопластиковой оболочкой, препятствующей распространению световых волн за пределы стекловолоконного проводника.

Совет! При выборе оптимального по своим эксплуатационным показателям вида оптического кабеля необходимо ориентироваться, прежде всего, на комплексный показатель – пропорции диаметра передающей сердцевины и оболочки, а также на характеристики преломления оптического волокна. Как показала практика, технология производства оптоволоконного кабеля также оказывает значительное влияние на рабочие характеристики.

Классификация волоконно-оптических кабелей связи

Существует несколько видов волоконно-оптических кабелей, которые классифицируются по совокупности рабочих параметров преломления и соотношения диаметра оболочки оптоволокна к его сердцевине. Эти параметры определяют эксплуатационные характеристики кабельной продукции, соответственно и сферы её применения. Различают следующие типы:

• Магистральный – используется для линий связи, передающих информацию на большие расстояния. Отличается высокой пропускной способностью. Конструкция характеризуется применением одномодового оптического волокна, которое позволяет прокладку в различных типах грунта;
• Городской – используется для передачи информации в пределах сравнительно небольшой локальной зоны. Максимальная длина не должна превышать 100 км. Такой тип кабеля может применяться для формирования локальных сетей в пределах области или городского района;
• Объектовый – используется на небольших по площади объектах коммерческого или промышленного назначения. Обеспечивает высокоскоростное соединение локальной сети.

Виды оптического кабеля в зависимости от способа укладки

Основная классификация оптоволоконного кабеля осуществляется по способу применения: внутренний и наружный. Однако, внутренний кабель встречается довольно редко, ведь техническая сложность прокладки и высокая стоимость делает его применение целесообразным только в дата-центрах.

Особенности оптоволокна для прокладки внутри помещений

В свою очередь внутренние волоконно-оптические кабеля делятся на два типа:

1. Распределительные – формируют общую локальную сеть передачу данных на объекте;
2. Абонентские – применяются для укладки в помещении, где расположены абоненты и их непосредственного подключения.

В процессе прокладки волоконно-оптического кабеля необходимо придерживаться тех же правил и требований, которые предъявляются при создании локальных сетей из витой пары (FTP кабеля) 5-й категории. То есть кабеля необходимо размещать в специальных лотках, кабель-каналах и коробах.

Оптоволоконные кабеля, предназначенные для использования внутри сооружений, имеют упрощенное строение. Они состоят из оптического волокна, по которому осуществляется передача сигнала, защитного покрытия и силового стержня, в качестве которого выступают арамидные нити.

Как правило, распределительные типы кабельной продукции, заводят до места подключения абонента или центральной распределительной коробки в помещении. Непосредственное подключение абонента должно выполняться оптическим кабелем другого класса, который соответствует более строгим требованиям по пожарной безопасности.

В частности, внешняя защитная оболочка не должна поддерживать горение, а при воздействии открытого пламени выделять минимальное количество дыма. Поэтому внешняя оболочка абонентских оптоволоконных кабелей формируется из полиуретана в отличие от распределительных, в который используется полиэтилен.

Важно! В некоторых из внутренних оптических кабелей предусмотрена дополнительная влагозащита. Кабели с таким функционалом применяют для прокладки в подвальных и чердачных помещениях.

Другие требования, которые предъявляются к кабелям, используемым внутри зданий, это небольшой размер, для возможности прокладки в узких кабель-каналах и гибкость, для возможности создания разветвленной структуры. Поэтому конструкция большинства марок является упрощенной.

Учитывая, что протяженность оптоволокна внутренних кабельных сетей невелика, эффект затухания сигнала не оказывает значительного влияния на передачу сигнала. Поэтому максимальное количество оптических волокон во внутренних кабелях – не более 12.

Разновидности наружных оптоволоконных кабелей

Виды оптических кабелей связи, предназначенных для наружного применения:

1. Подвесные. Имеют усиленную конструкцию, состоящую из кевларовой оболочки, усиленного внутреннего или отдельного вынесено троса. Использование кевлара в качестве внешней оболочки решает сразу три задачи: снижение веса кабеля, увеличения его прочности, и предотвращение образования электрических наводок. Допускается использование такого кабеля вблизи силовых линий Ж/Д, низковольтных линий электропередач, опорах свещения.
   
2. Для укладки на высоковольтных ЛЭП. Является разновидностью подвесного кабеля. Однако, учитывая особенности эксплуатации, его конструкция существенно доработана. Имеет защиту от коротких замыканий и ударов молнии. В качестве конструктивного элемента используется газозащитная оболочка, представляющая собой оплётку из алдреевых или алюминизированных проволок. Использование обеспечивает сохранение стабильной температуры внутри кабеля при внешних воздействиях высоковольтного электричества.
3. Для укладки в коммуникационных колодцах. Используется для прокладки в подземных инженерных кабель-каналах. Это существенно облегчает, как процесс прокладки, так и снижает стоимость оптоволоконного кабеля, который имеет минимальное бронирование. В качестве защитной оболочки используется металлическая гофролента, предназначенная, в основном, для предотвращения повреждения сердечника грызунами.
   
4. Подземные. Имеют усиленное бронирование, состоящее из металлической проволоки, размещенной в виде внешней оболочки. Кроме того, при подземной прокладке кабеля на некотором расстоянии сверху располагается сигнальная лента ярких цветов, а также соответствующие таблички.
   
5. Подводные. Используются для прокладки на любых типах морских участков, как прибрежных, шельфовых, так и глубоководных. Также допускается их использование в любых типах грунта. Включая пучинистые, подверженные морозным деформациям, скальные, болотные и т.п. Также такой вид кабеля используется в особо сложных инженерных конструкциях, при необходимости прокладки через эстакады, тоннели, канализационные коллекторы и т. п. В качестве дополнительной защиты от проникновения влаги используется алюмополимерная лента.
   
6. Для задувки в трубы. Имеет упрощенную конструкцию с минимальной защитой от внешних воздействий. Для защиты сердечника от внешних повреждений используются специальные стеклонити, а толщина внешней оболочки снижена. Также, применяются для монтажа в стальных трубах, которые и защищают их от механических воздействий.
   

Какие бывают типы оптоволокна?

Оптическое волокно является ключевым элементом кабеля, определяющим его эксплуатационные характеристики и область применения. Однако, в зависимости от особенностей производства, как оптические, так и геометрические характеристики кабеля могут отличаться. Наиболее важными считаются характеристики передачи сигнала. Согласно им и выделяют различные типы оптоволокна.

Волокна G.652

Обычное одномодовое волокно. Его наиболее часто используют в пассивных оптических и локальных сетях, системах кабельного телевидения. Что касается локальных сетей, то оптоволокно может применяться, как для создания всей структуры, так и только для магистральных линий.

Такое волокно обеспечивает широкополосную передачу, что дает возможности их применения в любых типах оптики – от магистральных до абонентских кабелей. Также их используют в сетях одноволновых или с применением различных типов спектрального уплотнения, как плотного, так и разреженного.

Волокна G.655

Данный тип наиболее хорошо подходит для применения в магистральных сетях, где задействуется спектральное уплотнение DWDM. Чаще всего, это городские и междугородние магистральные линии. Цена этого волокна достаточно немалая, так как оно относится к высокотехнологичным.

Волокна G.657

Самый современный и высокотехнологичный тип оптического волокна. Задействуется в информационных сетях типа FTTH. Сердцевина имеет особую конструкцию, позволяющую выполнять изгиб с наименьшим радиусом 10-15 миллиметров. Рядом значительного затухания передаваемого сигнала на изгибах не наблюдается.

Наиболее часто данный тип волокна применяют в абонентских кабелях, патч-кордах, при стесненных условиях монтажа и т.п. Их стоимость поднимает общую цену кабеля на 20-30%.

Одномодовый и многомодовый оптический кабель – в чем разница?

Существует 2 наиболее распространенных типа оптоволоконного кабеля – одно- и многомодовый. Ключевые отличия между ними состоят в различных способах прохождения луча света.

Одномодовый кабель

Центральное оптоволонко одномодового шнура имеет диаметр в 1,3 мкм. Соответственно передача оптического импульса возможна с использованием света с той же длиной волны. Все импульсы идут по аналогичному пути и достигают приемной аппаратуры практически одновременно, что существенно снижает дисперсию и утрату сигнала. Это дает возможность передачи данных на длинные дистанции без особых искажений.

Однако для таких кабелей используется приёмо-передающая аппаратура генерирующая сигнал исключительно одной длины. Данное оборудование имеет достаточно немалую стоимость и довольно быстро выходит из строя. Но данное направление считается наиболее перспективным из-за высокого качества передаваемого сигнала.

Многомодовый кабель

В таком кабеле центральное волокно имеет диаметр в 62,5 мкм, а наружная оплетка – 125 мкм. В следствии этого, лучи света имеют существенный разброс траекторий передачи данных, что становится причиной достаточно сильных искажений на принимающей стороне.

В приемо-передающей аппаратуре применяется простой светодиод, что существенно удешевляет оборудование. Длина волны передаваемого импульса составляет 0,85 мкм, а величина задержки – 4-5 нс/м.

Максимальная длина шнура, в зависимости от особенностей прокладки, не превышает 2-5 км. Сейчас это одна из наиболее используемых разновидностей оптических кабелей, что связано как с бюджетной стоимостью кабельно-проводниковой продукции, так и оборудования для приёма и трансляции сигнала.

Типы и виды оптических кабелей: условия прокладки, сферы применения

Дата публикации: 19 марта 2021
Дата обновления материала: 24 января 2022

• Оптический кабель для задувки в трубы
• Оптический кабель для прокладки в кабельной канализации
• Оптический кабель для прокладки в грунт
• Подводный оптический кабель
• Оптический кабель для подвеса
• Дроп-кабель
• Внутриобъектовый оптический кабель
• Оптический кабель, встроенный в грозозащитный трос (ОКГТ)
• Огнестойкий и пожаробезопасный ОК
• Оптические кабели-датчики

В современном мире сложился такой стереотип, что всё работает «без проводов». Сотовые телефоны, домашние/рабочие Wi-Fi сети и другие гаджеты. Базовые станции, от которых работает сотовая связь, жилые дома, офисы — в большинстве своём все имеют «физическое» подключение по оптическому кабелю. Да, есть варианты подключения «по воздуху», но на пока именно оптический кабель обеспечивает самую высокую скорость передачи и самую минимальную задержку при практически любых погодных условиях и на любые расстояния.

Сегодня на российском рынке представлены более пятидесяти различных типов оптоволоконных кабелей. Такое количество создаёт некие трудности в подборе ОК под конкретный проект. Ускорить процесс подбора можно в нашем удобном конфигураторе — Подбор оптического кабеля.

Основное деление всех типов оптических кабелей происходит в первую очередь от условий их прокладки (рис.1). Главная задача — защитить оптическое волокно от всех внешних воздействий.

Рис. 1. Конструкции ОК

Оптический кабель для задувки в трубы

Способ прокладки в трубы достаточно перспективен по причинам удобства и практичности технологии. Конструкция кабеля очень простая (рис.2), в качестве дополнительных силовых элементов на сердечник накладываются стеклонити, а поверх внешняя оболочка. Плотная труба защищает кабель от возможных механических повреждений. В последнее время, популярное направление задувка микротрубок в канализацию. Для микротрубок был разработан микрокабель, где нет дополнительной защиты, кроме внешней оболочки. Такой вариант меньше по размеру (кстати, в этом варианте возможно использование ОВ с уменьшенным диаметром, 200-микронное волокно SMF-28® Ultra 200, чтобы также уменьшить диаметр модулей в ОК).

Рис. 2 ОК для задувки в трубы

Оптический кабель для прокладки в кабельной канализации

При прокладке в кабельной канализации существует необходимость защиты кабеля от грызунов. Поэтому в конструкции кабеля предусмотрена броня в виде стальной гофрированной ленты, проволочной брони или стеклонитей (рис.3). Существуют варианты как с промежуточной оболочкой, так и без неё. Возможно использование в конструкции ОК двух дополнительных стальных проволок, выполняющих роль силового элемента.

Рис. 3 ОК для кабельной канализации

Оптический кабель для прокладки в грунт

Самый суровый вариант прокладки кабеля — непосредственно в грунт без какой-либо дополнительной защиты (рис 4). Оптические кабели в своей конструкции имеют броню в виде стальной оцинкованной или канатной проволоки, одного либо двух повивов, в зависимости от требуемых характеристик. Обеспечивается защита как от поперечного сдавливания, так и от растягивающих нагрузок.

Рис. 4 ОК для прокладки в грунт (проволочная броня)

Когда необходим кабель с похожими характеристиками, но при этом полностью диэлектрический, то в конструкции вместо проволоки используется броня из стеклопластиковых прутков (рис. 5).

Рис. 5 ОК для прокладки в грунт (диэлектрический)

Подводный оптический кабель

Подводный оптоволоконный кабель (рис. 6) необходим для прокладки на морских участках (прибрежных шельфовых и глубоководных), в том числе во все типы грунтов, включая скальные и подверженные мерзлотным деформациям, в болота, на переходах через судоходные реки и другие водные преграды, в кабельную канализацию, трубы, блоки, лотки, тоннели, эстакады, мосты, коллекторы.

Рис. 6 Подводный оптический кабель

Конструкция такого кабеля имеет дополнительную защиту от проникновения воды в виде алюмополимерной ленты.

Оптический кабель для подвеса

Самый распространённый метод строительства ВОЛС на сегодняшний день. Кабель должен выдерживать растягивающие нагрузки по всей своей длине. Оптические кабели для подвеса бывают по своей конструкции типа «8» (рис. 7, 8) и круглыми (рис. 9).

Оптические кабели типа «8» имеют в своей конструкции металлический (рис. 7) либо стеклопластиковый трос (рис. 8). Кабель со стеклопластиковым тросом полностью диэлектрический (рис. 8).

Рис. 7 ОК для подвеса (с выносным силовым элементом, металлический трос)

Постепенно телеком-операторы переходят на круглый самонесущий оптический кабель (рис. 9) в виду некоторых недостатков кабеля типа «8». Более подробно про недостатки можно прочитать в статье про основные принципы подбора магистральных оптических кабелей.

Рис. 8 ОК для подвеса (с выносным силовым элементом, стеклопластиковый трос)

Подвесной самонесущий кабель или оптический кабель самонесущий неметаллический (ОКСН). Возможны исполнения данного кабеля как на арамидных нитях, так и на стеклонитях. Кабель на арамидных нитях меньше в диаметре и легче в сравнении со стеклонитями. Также у арамидных нитей двухкратный запас прочности на разрыв по отношению к максимально допустимым нагрузкам. Самонесущий кабель на арамидных нитях аттестован к применению на объектах ОАО «ФСК ЕЭС России» и ОАО «Холдинг МРСК», на стеклонитях — запрещен.

Читайте подробнее про применение и особенности монтажа кабеля ОКСН.

Рис. 9. Подвесной самонесущий ОК

Дроп-кабель

Популярный тип подвесного самонесущего оптического кабеля в виду массового строительства сетей GPON в малоэтажном и сельском сегменте (рис. 10). Смотрите подробнее про типы дроп-кабеля.

Рис. 10. Дроп-кабель

Внутриобъектовый оптический кабель

Данный кабель прокладывается внутри помещений, поэтому конструкция очень простая (рис. 11). Чаще всего кабели не содержат в себе гидрофобный заполнитель и потому полностью сухие.

Рис. 11 Внутриобъектовый ОК

Каждый из типов ОК подбирается под условия проекта, т. к. у кабелей свои особенности при прокладке и монтаже.

Оптический кабель, встроенный в грозозащитный трос (ОКГТ)

Это отдельная категория оптических кабелей, которые применяются на воздушных линиях электропередачи напряжением 35 кВ и выше (рис. 12). Конструкции ОКГТ полностью металлические.

Рис. 12 Грозотрос/ОКГТ

В зависимости от требуемых технических характеристик, ОКГТ может быть разного исполнения в конструкции сердечника:

1. ОКГТ-Ц — оптический кабель, встроенный в грозозащитный трос с центральным модулем;
2. ОКГТ-Ц-А — оптический кабель, встроенный в грозозащитный трос с центральным модулем, плакированным аллюминием;
3. ОКГТ-С — оптический кабель, встроенный в грозозащитный трос с оптическим модулем в повиве.

Если использовать ОКФП (оптический кабель, встроенный в фазный провод), то получим продукт «два в одном»: передачу электрической энергии и линию волоконно-оптического кабеля связи. Подробнее про ОКФП читайте в нашей статье.

С помощью конструкций ОКГТ и ОКФП можно проводить мониторинг ЛЭП.

Там, где линия связи уже проложена и требуется защита от ударов молнии применяется ГТК — грозозащитный трос коррозионностойкий.

Огнестойкий и пожаробезопасный ОК

Если важна работоспособность ВОЛС даже при возможном воздействии на неё открытого пламени (при времени воздействия огня до 180 минут), используют огнестойкий и пожаробезопасный оптический кабель (рис. 13).

Рис. 13 Огнестойкий и пожаробезопасный ОК

Оптические кабели-датчики

Данные типы кабелей используются в нефтегазовой отрасли, а также для распределенного мониторинга промышленных и гражданских объектов. Подробнее с конструкциями и сферами применения можно ознакомиться на сайте специальных кабелей Инкаб.

Заключение

Выбор оптического кабеля всегда был делом непростым. Особенно сейчас, когда на рынке есть многообразие различных типов и конструкций. Можно выбрать и проложить самый дорогой и самый надежный в плане защиты от всех внешних факторов (влага, грызуны и т. д.) оптический кабель, но в процессе строительства ответсвенность за работоспособность всей ВОЛС ложится на плечи специалистов-монтажников. Даже одна некорректно смонтированная муфта через некоторое время начнёт отрицательно влиять на характеристики всей ВОЛС.

Учебный центр ВОЛС.Эксперт проводит обучение специалистов отрасли связи. Мы обучаем самым современным технологиям проектирования, строительства, монтажа и измерений волоконно-оптических линий связи.

Посмотреть все доступные курсы

Что такое оптическое волокно?

Состав оптического волокна

Мы рассмотрели аналогию волоконно-оптических сетей, которая сравнивает их с дорожной сетью. Однако само волокно крошечное — примерно такого же диаметра, как прядь человеческого волоса, — и трафик, который он передает, имеет форму света. Человеческому глазу свет кажется белым, но на самом деле он состоит из множества цветов, каждый из которых может быть отдельным каналом трафика на своей фиксированной полосе.

Волокно обычно изготавливают из чистого кварца (стекла) из-за его чистых качеств и свойств, придающих ему хорошее полное внутреннее преломление — эффект, лежащий в основе волоконно-оптической связи. В основном оптическое волокно состоит из сердцевины, оболочки и покрытия.

Свет проходит по ядру, которое защищено оболочкой, препятствующей выходу света — это полное внутреннее преломление/отражение. Из-за свойств кремнезема свет отражается внутри ядра, а не убегает, как если бы отражался от зеркала. Это можно делать даже в горах и за углами, создавая световые импульсы, которые делают возможной передачу данных внутри оптоволоконного кабеля. Покрытие добавляется для защиты от повреждений и влаги.

Типы оптического волокна

Существует два основных типа волокна, каждое из которых имеет свое применение. Это многомодовое (MM) волокно, которое имеет большую сердцевину и допускает несколько путей через волокно, и одномодовое (SM) волокно, которое имеет только один путь через сердцевину гораздо меньшего размера.

	Многомодовое волокно	Одномодовое волокно
Диаметр покрытия	250 мкм	250 мкм
Диаметр оболочки	125 мкм	125 мкм
Диаметр сердцевины	62,5 мкм (градуированный индекс)	9 мкм
	50 мкм (Ступенчатый индекс)

 

Многомодовое оптическое волокно

Многомодовый оптоволоконный кабель позволяет нескольким модам света проходить через большую сердцевину, что, в свою очередь, увеличивает количество отражений при прохождении света. Преимущество этого типа волокна заключается в том, что можно использовать недорогие приемопередатчики, но при этом возникает большая дисперсия и затухание. Короче говоря, это означает, что размер сердцевины оставляет так много места для отражения света при его передаче по волокну, что качество сигнала быстро ухудшается. Он также не может быть усилен, что означает, что он подходит только для коротких расстояний, где можно использовать более простые и дешевые приемопередатчики. То есть там, где нужно недорогое решение.

Для расстояний более 200-300 метров многомодовое волокно не подходит. Чаще всего он встречается там, где эти короткие расстояния — это все, что нужно, например, внутри центра обработки данных. Примером этого является волокно OM4, способное обрабатывать сигналы трафика 10 и 100G на расстоянии до 100 метров.

Существует два основных типа многомодового волокна:

Многомодовое волокно с градиентным индексом

 

Это наиболее распространенный тип многомодового волокна, используемый сегодня. В многомодовом волокне с градиентным показателем преломления свет, проходящий вблизи оси, распространяется медленнее, чем свет вблизи оболочки, что приводит к лучшей группировке световых лучей. Таким образом, показатель преломления постепенно уменьшается от центральной оси к оболочке.

 

Многомодовое волокно со ступенчатым индексом

 

В этом типе многомодового волокна свет распространяется по различным зигзагообразным и прямым маршрутам, отражаясь от оболочки. В результате разные «режимы» света достигают другого конца волокна в разное время. Когда различные моды начинают распространяться, сигнал частично теряет свою форму.

 

Одномодовое оптическое волокно

Одномодовое оптическое волокно имеет меньшую сердцевину, чем многомодовое волокно, и пропускает свет только одной моды. Поскольку отражений света меньше, этот тип имеет самое низкое затухание сигнала, и свет может распространяться дальше. Он взаимодействует с одномодовой оптикой, которая использует лазеры в качестве источника света, посылая одну длину волны по прямой линии вниз по волокну. Оно по-прежнему имеет ту же оболочку толщиной 125 мкм, что и многомодовое волокно, но сердцевина обычно имеет толщину 9 мкм.мкм вместо 50 мкм и более.

Одномодовое волокно имеет более высокую пропускную способность и является наиболее подходящим типом волокна для сетей дальней связи. Он также бывает нескольких типов, оптимизированных для разных участков волокна.

 

Волокно без смещения дисперсии

Волокно без смещения дисперсии (NDSF) было наиболее распространенным типом волокна, установленного в 1980-х годах. Он был оптимизирован для области волокна 1310 нм — длины волны для оптических сетей до того, как системы мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) стали обычным явлением. NDSF имеет низкую дисперсию в этом диапазоне, что означает, что он не позволяет очень большому количеству света отражаться в ядре. Но при 1550 нм, диапазоне, в котором находятся современные системы WDM, он имеет гораздо более высокую дисперсию, а это означает, что расстояние для подключения ограничено.

Волокна со смещенной дисперсией

Существует два типа волокон со смещенной дисперсией. Основной тип волокна со смещенной дисперсией оптимизирован для использования на длине волны 1550 нм, но ограничен работой с одной длиной волны, что делает проблематичным его использование с некоторыми типами современных систем WDM. Существует также волокно с ненулевым смещением дисперсии, которое имеет гораздо меньшую дисперсию и является предпочтительным оптическим волокном для развертывания новых волокон. Это самый полезный из всех типов одномодовых волокон для систем DWDM с высокой пропускной способностью и высокой скоростью передачи данных.

Волоконная оптика: Понимание основ | Волоконная оптика и связь | Справочник по фотонике

Ничто так не изменило мир связи, как разработка и внедрение оптического волокна. В этой статье представлены основные принципы, необходимые для работы с этой технологией.

Инженерно-технический персонал, OFS

Оптические волокна изготавливаются из стекла или пластика. Диаметр большинства из них примерно равен человеческому волосу, а длина может достигать многих миль. Свет передается по центру волокна от одного конца к другому, и может быть наложен сигнал. Волоконно-оптические системы превосходят металлические проводники во многих приложениях. Их самым большим преимуществом является пропускная способность. Из-за длины волны света можно передавать сигнал, который содержит значительно больше информации, чем это возможно с помощью металлического проводника — даже коаксиального проводника. Среди других преимуществ:

• Электрическая изоляция — оптоволокно не требует заземления. И передатчик, и приемник изолированы друг от друга и поэтому не имеют проблем с контуром заземления. Кроме того, отсутствует опасность искр или поражения электрическим током.

• Свобода от электромагнитных помех — волоконная оптика невосприимчива к электромагнитным помехам (ЭМП) и сама по себе не излучает излучение, вызывающее другие помехи.

• Низкие потери мощности — это позволяет использовать более длинные кабели и меньше усилителей повторителей.

• Легче и меньше — оптоволокно весит меньше и занимает меньше места, чем металлические проводники с эквивалентной пропускной способностью.

Медная проволока примерно в 13 раз тяжелее. Волокно также проще в установке и требует меньше места для воздуховодов.

Области применения

Некоторые из основных областей применения оптических волокон:

• Коммуникации. Передача голоса, данных и видео является наиболее распространенным применением оптоволокна, в том числе:

   – Телекоммуникации
   – Локальные вычислительные сети (LAN)
   – Промышленные системы управления
   – Авионические системы
   – Военные системы управления, контроля и связи

детектор для получения информации о давлении, температуре или спектре. Волокно также можно использовать непосредственно в качестве преобразователя для измерения ряда воздействий окружающей среды, таких как деформация, давление, электрическое сопротивление и рН. Изменения окружающей среды влияют на интенсивность, фазу и/или поляризацию света таким образом, что их можно обнаружить на другом конце волокна.

• Подача энергии — оптические волокна могут обеспечивать удивительно высокий уровень мощности для таких задач, как лазерная резка, сварка, маркировка и сверление.

• Освещение — пучок волокон, собранных вместе с источником света на одном конце, может освещать труднодоступные области — например, внутри человеческого тела, в сочетании с эндоскопом. Кроме того, их можно использовать как вывеску или просто как декоративную подсветку.

---

Рис. 1. Оптическое волокно состоит из сердцевины, оболочки и покрытия .

---

Конструкция

Оптическое волокно состоит из трех основных концентрических элементов: сердцевины, оболочки и внешнего покрытия (рис. 1).

Сердцевина обычно изготавливается из стекла или пластика, хотя иногда используются и другие материалы, в зависимости от желаемого спектра передачи.

Сердцевина — это светопропускающая часть волокна. Оболочка обычно изготавливается из того же материала, что и сердцевина, но с несколько меньшим показателем преломления (обычно примерно на 1%). Эта разница показателей преломления вызывает полное внутреннее отражение на границе преломления по длине волокна, так что свет проходит вниз по волокну и не выходит через боковые стенки.

---

Рис. 2. Луч света, проходящий от одного материала к другому с другим показателем преломления, искривляется или преломляется на границе раздела.

---

Покрытие обычно состоит из одного или нескольких слоев пластика, защитить волокно от физической среды. Иногда металлический к покрытию добавляются оболочки для дополнительной физической защиты.

Оптические волокна обычно определяются по размеру, который определяется внешним диаметром сердцевины, оболочки и покрытия. Например, 62,5/125/250 относится к волокну с сердцевиной диаметром 62,5 мкм, оболочкой диаметром 125 мкм и внешним покрытием диаметром 0,25 мм.

Принципы

Оптические материалы характеризуются показателем преломления, обозначаемым как n. Показатель преломления материала – это отношение скорости света в вакууме к скорости света в веществе. Когда луч света проходит от одного материала к другому с другим показателем преломления, луч изгибается (или преломляется) на границе раздела (рис. 2).

Рефракция описывается законом Снеллиуса:

где n _I и n _R — показатели преломления материалов, через которые преломляется луч, а I и R — углы падения и преломления луча. Если угол падения больше критического угла для границы раздела (обычно около 82° для оптических волокон), свет без потерь отражается обратно в падающую среду в результате процесса, известного как полное внутреннее отражение (рис. 3).
Рис. 3. Полное внутреннее отражение позволяет свету оставаться внутри сердцевины волокна.

---

Посмотрите видео с определением полного внутреннего отражения.

Моды

Когда свет распространяется по волокну (так же, как микроволны распространяются по волноводу), фазовые сдвиги возникают на каждой отражающей границе. Существует конечное дискретное число путей вниз по оптическому волокну (известных как моды), которые производят конструктивные (фазовые и, следовательно, аддитивные) фазовые сдвиги, которые усиливают передачу. Поскольку каждая мода возникает под разным углом к ​​оси волокна по мере прохождения луча по длине, каждая мода проходит по волокну разную длину от входа к выходу. Только одна мода, мода нулевого порядка, распространяется по длине волокна без отражений от боковых стенок. Это известно как одномодовое волокно. Фактическое количество мод, которые могут распространяться в данном оптическом волокне, определяется длиной волны света, диаметром и показателем преломления сердцевины волокна.

Затухание

Сигналы теряют мощность при распространении по волокну; это известно как затухание луча. Затухание измеряется в децибелах (дБ) по соотношению:

, где P _в и P _{на выходе} относятся к оптической мощности, входящей в волокно и выходящей из него. В таблице ниже показана мощность, обычно теряемая в волокне для нескольких значений затухания в децибелах.

Затухание оптического волокна зависит от длины волны. На крайних точках кривой пропускания преобладает многофотонное поглощение. Затухание обычно выражается в дБ/км на определенной длине волны. Типичные значения варьируются от 10 дБ/км для волокон со ступенчатым показателем преломления на длине волны 850 нм до нескольких десятых долей дБ/км для одномодовых волокон на длине волны 1550 нм.

Существует несколько причин затухания в оптическом волокне:

• Рэлеевское рассеяние — Микроскопические изменения показателя преломления материала сердцевины могут вызвать значительное рассеяние в луче, что приведет к существенным потерям оптической мощности. Рэлеевское рассеяние зависит от длины волны и менее значимо на более длинных волнах. Это самый важный механизм потерь в современных оптических волокнах, на который обычно приходится до 90% любых потерь.

• Поглощение — Современные методы производства снижают поглощение, вызванное примесями (в первую очередь водой в волокне), до очень низкого уровня. В пределах полосы пропускания волокна потери на поглощение незначительны.

• Изгиб — производственные методы могут привести к незначительным изгибам геометрии волокна. Иногда эти изгибы будут достаточно большими, чтобы заставить свет внутри сердцевины падать на границу раздела сердцевина/оболочка под углом меньше критического, так что свет теряется в материале оболочки. Это также может произойти, когда волокно изгибается по маленькому радиусу (менее, скажем, нескольких сантиметров). Чувствительность к изгибу обычно выражается в виде потерь дБ/км для определенного радиуса изгиба и длины волны.

Рис. 4. Числовая апертура зависит от угла, под которым лучи входят в волокно, и от диаметра сердцевины волокна.

---

Числовая апертура

Числовая апертура (NA), показанная на рис. 4, представляет собой меру максимального угла, под которым световые лучи входят и проходят по волокну. Это представлено следующим уравнением:

Дисперсия

По мере прохождения оптических импульсов по длине волокна они расширяются или удлиняются во времени. Это называется дисперсией. Поскольку импульсы в конечном итоге станут настолько рассогласованными, что начнут накладываться друг на друга и искажать данные, дисперсия устанавливает верхний предел возможностей передачи данных по волокну. Есть три основные причины такого расширения:

• Хроматическая дисперсия — длины волн разной длины распространяются по волокну с разной скоростью. Поскольку типичные источники света обеспечивают мощность по ряду или диапазону длин волн, а не по одной дискретной спектральной линии, импульсы должны распространяться по длине волокна по мере их прохождения. Высокоскоростные лазеры, используемые в средствах связи, имеют очень узкие спектральные характеристики, что значительно снижает эффект хроматической дисперсии.

• Модальная дисперсия — различные моды волокна отражаются под разными углами по мере прохождения по волокну. Поскольку каждый модальный угол создает несколько разную длину пути для луча, моды более высокого порядка достигают выходного конца волокна позади мод более низкого порядка.

• Волноводная дисперсия — Эта незначительная причина дисперсии связана с геометрией волокна и приводит к различным скоростям распространения для каждой из мод.

Полоса пропускания

Полоса пропускания измеряет пропускную способность оптического волокна и выражается как произведение частоты данных и пройденного расстояния (обычно МГц-км или ГГц-км). Например, волокно с полосой пропускания 400 МГц-км может передавать 400 МГц на расстояние 1 км или 20 МГц данных на 20 км. Основным ограничением полосы пропускания является уширение импульса, возникающее в результате модовой и хроматической дисперсии волокна. Типичные значения для различных типов волокна следующие:

Передача энергии

Количество энергии, которое может передавать волокно (без повреждения), обычно выражается в терминах максимально допустимой плотности мощности. Плотность мощности является произведением максимальной выходной мощности лазера и площади лазерного луча. Например, лазерный луч мощностью 15 Вт, сфокусированный на пятно диаметром 150 мкм, дает плотность мощности

. Выход импульсного лазера (обычно указывается в миллиджоулях энергии на импульс) должен быть сначала преобразован в мощность на импульс. . Например, импульсный лазер, производящий 50 мДж в импульсе длительностью 10 нс, обеспечивает выходную мощность
Плотность мощности можно рассчитать по размеру пятна.

Для передачи по волокну абсолютных максимальных уровней энергии торцы волокна должны быть абсолютно гладкими и отполированными и располагаться перпендикулярно оси волокна и лучу света. Кроме того, диаметр луча не должен превышать примерно половины площади сердечника (или диаметра сердечника). Если луч не сфокусирован должным образом, часть энергии может попасть в оболочку, что быстро может повредить кварцевые волокна, покрытые полимером. По этой причине лучше использовать кварцевые волокна, покрытые диоксидом кремния, в приложениях с более высокой удельной мощностью.

Типы волокна

В основном существует три типа оптического волокна: одномодовое, многомодовое с градиентным показателем преломления и многомодовое ступенчатое преломление. Они характеризуются тем, как свет распространяется по волокну, и зависят как от длины волны света, так и от механической геометрии волокна. Примеры того, как они распространяют свет, показаны на рисунке 5.

Рисунок 5. Режимы передачи по волокну.

---

Однорежимный

По одномодовому волокну передается только основная мода нулевого порядка. Световой луч проходит прямо через волокно, не отражаясь от боковых стенок оболочки сердцевины. Одномодовое волокно характеризуется значением отсечки длины волны, которое зависит от диаметра сердцевины, числовой апертуры и рабочей длины волны. Ниже длины волны отсечки могут также распространяться моды более высокого порядка, что изменяет характеристики волокна.

Поскольку одномодовое волокно распространяет только основную моду, устраняется модовая дисперсия (основная причина перекрытия импульсов). Таким образом, пропускная способность одномодового волокна намного выше, чем у многомодового волокна. Это просто означает, что импульсы могут передаваться намного ближе друг к другу во времени без перекрытия. Из-за этой более высокой пропускной способности одномодовые волокна используются во всех современных системах связи дальнего действия. Типичные диаметры сердцевины составляют от 5 до 10 мкм.

Фактическое количество мод, которые могут распространяться по волокну, зависит от диаметра сердцевины, числовой апертуры и длины волны передаваемого света. Их можно объединить в параметр нормализованной частоты или число V ,

, где a — радиус сердцевины, λ — длина волны, а n — индекс сердцевины и оболочки. Условие для работы в одномодовом режиме:
Возможно, более важной и полезной является длина волны отсечки. Это длина волны, ниже которой волокно допускает распространение нескольких мод, и может быть выражена как:
Обычно выбирают волокно с длиной волны отсечки, немного меньшей желаемой рабочей длины волны. Для лазеров, обычно используемых в качестве источников (с выходной длиной волны от 850 до 1550 нм), диаметр сердцевины одномодового волокна находится в диапазоне от 3 до 10 мкм.

Многомодовый градуированный индекс

Диаметр сердцевины многомодового волокна намного больше, чем у одномодового волокна. В результате также распространяются моды более высокого порядка.

Сердцевина волокна с плавным изменением показателя преломления имеет показатель преломления, который непрерывно уменьшается в радиальном направлении от центра к границе раздела оболочки. В результате свет распространяется быстрее на краю ядра, чем в центре. Различные виды транспорта движутся по криволинейным траекториям с почти одинаковым временем в пути. Это значительно снижает модовую дисперсию в волокне.

В результате волокна с плавным профилем имеют пропускную способность, которая значительно больше, чем у волокон со ступенчатым профилем, но все же намного меньше, чем у одномодовых волокон.