Fibra ottica multimodale, gradiente e monomodale. Differenze tra cavi ottici monomodali e multimodali

Allo stesso tempo, quelli multimodali vengono utilizzati nelle reti a medio e corto raggio. ha una struttura diversa da quella multimodale. Recentemente è stato affermato che i cavi in ​​fibra ottica multimodali presentano un vantaggio rispetto ai cavi monomodali, questo è essenzialmente vero, perché sono più di cento volte superiori ai cavi monomodali in termini di prestazioni. Ma, nonostante tutto ciò, per lunghe distanze è ancora preferibile utilizzare cavi ottici monomodali, perché in questo settore si sono da tempo dimostrati efficaci.

Scopo del cavo ottico monomodale

Sebbene la struttura sia simile, i cavi in ​​fibra ottica esistenti differiscono nelle loro caratteristiche, a seconda del numero di moduli, dello spessore, del numero di fibre, del materiale della guaina esterna, ecc. Un cavo ottico monomodale, a differenza di uno multimodale, quando trasmette un segnale, per definizione, è privo di dispersione intermodale, che deriva da diverse modalità introdotte simultaneamente nella fibra che raggiungono l'estremità opposta del cavo a diversi volte. Una delle caratteristiche importanti del cavo è anche il diametro SCS del suo nucleo; per il monomodale è solitamente di 8-10 micron.

Attraverso studi pratici su vari cavi ottici, gli esperti hanno stabilito che a distanze superiori a 500 metri tra gli oggetti, vale la pena dare la preferenza ai cavi monomodali, che forniscono velocità di trasmissione elevate e affidabili su lunghe distanze quando si costruiscono reti su larga scala. Il cavo multimodale ha mostrato risultati inferiori.

Caratteristiche del cavo ottico monomodale

Strutturalmente, un cavo in fibra ottica è costituito da una o più fibre ottiche, che sono essenzialmente fili di vetro. Di conseguenza, la trasmissione delle informazioni avviene mediante il trasferimento della luce all'interno della fibra ottica. Questo utilizza un processo chiamato riflessione interna totale. Il principio di funzionamento si basa sul fatto che le onde luminose vengono riflesse dal confine che separa due mezzi trasparenti con indici di rifrazione diversi.

Molto spesso, il cavo ottico monomodale viene utilizzato per organizzare sistemi di comunicazione in fibra ottica posati attraverso tunnel, collettori e all'interno di edifici e locali. Il suo guscio esterno è solitamente costituito da materiali che non supportano né propagano la combustione.

Vantaggi del cavo ottico monomodale

• larghezza di banda significativamente maggiore,
• aumento del grado di immunità al rumore (in particolare, nel campo dell'immunità alle interferenze e alle interferenze elettromagnetiche),
• volume e peso relativamente piccoli,
• segnale luminoso a bassa attenuazione,
• isolamento galvanico delle apparecchiature appena collegate,
• protezione affidabile contro connessioni non autorizzate, che protegge ulteriormente le informazioni trasmesse, ecc.

Alcune proprietà di una fibra ottica come guida luminosa dipendono direttamente dal diametro del nucleo. In base a questo parametro la fibra ottica si divide in due categorie:

multimodale(MMF) E modalità singola(SMF) .

Le fibre multimodali si dividono in fibre a gradino e fibre a gradiente.

Le fibre monomodali sono suddivise in fibre monomodali a gradini o fibre standard (SF), fibre a dispersione spostata (DSF) e fibre a dispersione spostata diversa da zero (NZDSF).

Fibra multimodale.

Questa categoria di fibra ottica ha un diametro del nucleo relativamente grande rispetto alla lunghezza d'onda della luce emessa dal trasmettitore. L'intervallo dei suoi valori è 50-1000 µm a lunghezze d'onda utilizzate di circa 1 µm. Tuttavia, le fibre più utilizzate sono quelle con diametro di 50 e 62,5 micron. I trasmettitori per tale fibra ottica emettono un impulso di luce con un certo angolo solido, ovvero i raggi (modalità) entrano nel nucleo da diversi angoli. Di conseguenza, i raggi viaggiano dalla sorgente al ricevitore con lunghezze di percorso disuguali e, quindi, lo raggiungono in tempi diversi. Ciò porta al fatto che l'ampiezza dell'impulso in uscita è maggiore che in ingresso. Questo fenomeno si chiama dispersione intermodale. In una fibra ottica a gradini, che è più semplice da produrre, l'indice di rifrazione cambia gradualmente nell'interfaccia nucleo-rivestimento. Il percorso dei raggi in tale fibra è mostrato nella Figura 2.3.

Figura 2.3 – Percorso dei raggi luminosi in una fibra

In un gradiente OF, l'indice di rifrazione diminuisce gradualmente dal centro del confine. I raggi luminosi i cui percorsi passano nelle regioni periferiche con un indice di rifrazione inferiore si propagano più velocemente di quelli che passano vicino al centro, il che alla fine compensa la differenza nelle lunghezze dei percorsi. In tale fibra ottica, l'effetto della dispersione intermodale è molto inferiore rispetto a quella a gradini (Figura 2.3).

L'ampliamento del segnale stabilisce un limite al numero di impulsi trasmessi al secondo che possono ancora essere riconosciuti con precisione all'estremità ricevente del canale. Ciò a sua volta limita la larghezza di banda della fibra multimodale.

Figura 2.4 – Vari design di fibre

Ovviamente la quantità di dispersione all'estremità ricevente dipende anche dalla lunghezza del cavo. Pertanto, il rendimento delle autostrade ottiche è determinato per unità di lunghezza. Per la fibra con indice di passo è tipicamente 20-30 MHz per chilometro (MHz/km), mentre per la fibra graduata è compreso tra 100 e 1000 MHz/km.

La fibra multimodale può avere un nucleo di vetro e un rivestimento di plastica. Questa fibra ottica ha un profilo di indice di rifrazione a gradini e una larghezza di banda di 20-30 MHz/km. Fibra monomodale

La differenza principale di tale fibra, che determina in gran parte le sue proprietà come guida luminosa, è il diametro del nucleo. È solo da 7 a 10 micron, che è già paragonabile alla lunghezza d'onda del segnale luminoso. Il diametro ridotto consente la formazione di un solo raggio (modalità), che si riflette nel nome (Figura 2.4).

Vantaggi degli OF multimodali rispetto a quelli monomodali:

Grazie al grande diametro del nucleo OF multimodale, i requisiti per le sorgenti di radiazione sono ridotti, poiché per l'immissione della radiazione possono essere utilizzati laser a semiconduttore più economici e allo stesso tempo più potenti e persino LED. Per alimentare i LED vengono utilizzati circuiti molto semplici, che semplificano il dispositivo e riducono il costo del VOSP.

Il modulo ottico ricevente può utilizzare fotodiodi con un'area fotosensibile di grande diametro. Tali fotodiodi hanno un basso costo.

Durante la giunzione di OFF multimodali, la precisione richiesta dell'allineamento delle estremità è di un ordine di grandezza inferiore rispetto al caso della giunzione di OFF monomodali.

Per gli stessi motivi, i connettori ottici per fibra ottica multimodale hanno requisiti di ordine di grandezza meno rigorosi rispetto ai connettori ottici per fibra ottica monomodale.

Fibra ottica (fibra ottica)- questo è un sottile filo di vetro (a volte plastica) progettato per trasmettere il flusso luminoso su lunghe distanze.

Attualmente, la fibra ottica è ampiamente utilizzata sia su scala industriale che domestica. Nel 21 ° secolo, la fibra ottica e le tecnologie per lavorarci sono diminuite notevolmente di prezzo a causa dei nuovi progressi nel progresso tecnologico, e ciò che prima era considerato troppo costoso e innovativo è ora considerato un luogo comune.

Cos'è la fibra ottica?

1. Modalità singola;
2. Multimodale;

Qual è la differenza tra questi due tipi di fibra ottica?

Quindi, qualsiasi fibra ottica ha un nucleo centrale e un rivestimento:

Fibra monomodale

Nella fibra monomodale, il nucleo è di 9 µm e il rivestimento della fibra è di 125 µm (da qui l'etichettatura della fibra monomodale 9/125). Tutti i flussi luminosi (modalità), a causa del piccolo diametro del nucleo centrale, passano parallelamente o lungo l'asse centrale del nucleo. La gamma di lunghezze d'onda utilizzata nella fibra ottica monomodale va da 1310 a 1550 nm e utilizza un raggio laser altamente focalizzato.

Fibra multimodale

Nella fibra ottica multimodale, il nucleo centrale è di 50 micron o 62,5 micron e anche il rivestimento è di 125 micron. A questo proposito, una fibra ottica multimodale trasmette numerosi flussi luminosi, che hanno traiettorie diverse e vengono costantemente riflessi dai “bordi” del nucleo centrale. Le lunghezze d'onda utilizzate nella fibra ottica multimodale vanno da 850 a 1310 nm e utilizzano fasci diffusi.

Differenze nelle caratteristiche della fibra monomodale e multimodale

L'attenuazione del segnale nelle fibre ottiche monomodali e multimodali gioca un ruolo importante. A causa del fascio stretto, l'attenuazione nella fibra monomodale è molte volte inferiore rispetto alla fibra multimodale, il che sottolinea ancora una volta il vantaggio della fibra ottica monomodale.

Infine, uno dei criteri principali è la portata della fibra ottica. Anche in questo caso la fibra monomodale presenta un vantaggio rispetto alla multimodale. Il rendimento di una modalità singola è molte volte (se non di un ordine di grandezza) superiore a quello di una modalità multimodale.

Si è sempre considerato che le linee in fibra ottica realizzate su fibra multimodale siano molto più economiche di quelle realizzate su fibra monomodale. Ciò era dovuto al fatto che la modalità multimodale utilizzava LED anziché laser come sorgente luminosa. Tuttavia, negli ultimi anni, i laser hanno iniziato ad essere utilizzati sia in modalità monomodale che multimodale, il che ha influito sulla perequazione dei prezzi per le apparecchiature per vari tipi di fibra ottica.

Le fibre ottiche, che hanno sia un nucleo che un rivestimento in vetro di quarzo, sono il tipo più comune di fibra ottica. Le fibre ottiche al quarzo sono in grado di trasmettere un segnale di informazione sotto forma di onda luminosa su lunghe distanze, motivo per cui sono ampiamente utilizzate nelle telecomunicazioni da diversi decenni.

Come è noto, tutte le fibre di quarzo sono suddivise in monomodali (SM - monomodale) e multimodali (MM - multimodale), a seconda del numero di modalità propagate della radiazione ottica. Le fibre monomodali vengono utilizzate per la trasmissione di dati ad alta velocità su lunghe distanze, mentre le fibre multimodali sono adatte per linee più brevi. In questo articolo parleremo della fibra multimodale, delle sue caratteristiche, tipologie e applicazioni. Dedicato alla fibra monomodale. Le questioni fondamentali della comunicazione in fibra ottica (il concetto di fibra ottica, le sue caratteristiche principali, il concetto di modalità...) sono discusse nell'articolo "".

Vale la pena notare che non solo le fibre di quarzo sono multimodali, ma anche le fibre realizzate con altri materiali, ad esempio. Questo articolo parlerà solo delle fibre multimodali di silice.

Struttura della fibra multimodale al quarzo

Diversi modi spaziali della radiazione ottica possono propagarsi simultaneamente in una guida d'onda ottica. Il numero dei modi di propagazione dipende, in particolare, dalle dimensioni geometriche della fibra ottica. Viene chiamata fibra in cui si propaga più di una modalità di radiazione ottica multimodale . Nelle telecomunicazioni vengono utilizzate principalmente fibre multimodali al quarzo con diametro di core e cladding di 50/125 e 62,5/125 μm (è disponibile anche la fibra obsoleta 100/140 μm).

La fibra di silice multimodale ha sia un nucleo che un rivestimento in vetro di quarzo. Durante il processo di produzione, drogando il materiale sorgente con determinate impurità, si ottiene il profilo dell'indice di rifrazione desiderato. Se una fibra monomodale standard ha un profilo dell'indice di rifrazione a gradini (l'indice di rifrazione è lo stesso in tutti i punti della sezione trasversale del nucleo), nel caso di una fibra multimodale, molto spesso si forma un profilo gradiente (l'indice di rifrazione indice diminuisce gradualmente dall'asse centrale del nucleo al rivestimento). Ciò viene fatto al fine di ridurre l'influenza della dispersione intermodale. Con un profilo gradiente, anche i modi di ordine superiore che entrano nella fibra con un angolo maggiore e viaggiano lungo traiettorie più lunghe hanno una velocità maggiore rispetto a quelli che si propagano vicino al nucleo (Fig. 1). Sono disponibili anche fibre multimodali con un diverso profilo di indice di rifrazione.

Riso. 1. Fibra multimodale gradiente

La fibra di quarzo ha una caratteristica di attenuazione spettrale con tre finestre di trasparenza (attenuazione più bassa) - attorno alle lunghezze d'onda 850, 1300 e 1550 nm. Per lavorare con la fibra multimodale vengono utilizzate principalmente lunghezze d'onda di 850 e 1300 (1310) nm. I valori tipici di attenuazione a queste lunghezze d'onda sono rispettivamente 3,5 e 1,5 dB/km.

Per proteggere la fibra, al guscio ottico viene applicato un rivestimento primario di materiale polimerico (spesso acrilico), che è verniciato in uno dei dodici colori standard. Il diametro della fibra ottica rivestita è tipicamente di circa 250 µm. Un cavo in fibra ottica è costituito da una o più fibre con un rivestimento primario, oltre a vari elementi di rinforzo e protezione. Nella sua forma più semplice, un cavo ottico multimodale è una fibra ottica circondata da fili di Kevlar e inserita in una guaina protettiva esterna di colore arancione (Fig. 2).

Riso. 2. Cavo multimodale simplex

Confronto con fibra monomodale

A causa dell'influenza della dispersione intermodale (Fig. 3), la fibra multimodale presenta limitazioni nella velocità e nella portata della propagazione delle informazioni rispetto alla fibra monomodale. L'influenza della dispersione cromatica e della modalità di polarizzazione è molto inferiore. La lunghezza delle linee di comunicazione multimodali è inoltre limitata da una maggiore attenuazione rispetto alla fibra monomodale.

Riso. 3. Allargamento dell'impulso nella fibra multimodale come risultato della dispersione intermodale

Allo stesso tempo, grazie al grande diametro, vengono soddisfatti i requisiti per la divergenza della radiazione della sorgente del segnale, nonché per l'allineamento dei componenti attivi (trasmettitori, ricevitori...) e passivi (connettori, adattatori...). ridotto. Pertanto, l'attrezzatura per la fibra multimodale è più economica rispetto a quella per la fibra monomodale (sebbene la fibra multimodale stessa sia leggermente più costosa).

Storia e classificazione

Come accennato in precedenza, le fibre multimodali più utilizzate sono quelle da 50/125 e 62,5/125 micron. Le prime fibre multimodali commerciali, la cui produzione iniziò negli anni '70, avevano un diametro del nucleo di 50 μm e un profilo dell'indice di gradino. Come sorgenti di radiazioni ottiche sono stati utilizzati diodi emettitori di luce (LED). L'aumento del traffico trasmesso ha portato alla nascita di fibre con nucleo da 62,5 µm. Il diametro maggiore ha consentito di utilizzare in modo più efficiente la radiazione LED, che presenta un'elevata divergenza. Tuttavia, ciò ha aumentato il numero di modi propagati, che è noto avere un effetto negativo sulle caratteristiche di trasmissione. Pertanto, quando i laser a raggio stretto iniziarono ad essere utilizzati al posto dei LED, la fibra da 50/125 micron cominciò a guadagnare nuovamente popolarità. Un'ulteriore crescita della velocità e della portata della trasmissione delle informazioni è stata facilitata dalla comparsa di fibre con un profilo di indice di rifrazione gradiente.

Le fibre utilizzate con i LED presentavano diversi difetti e irregolarità in prossimità dell'asse del nucleo, cioè nella zona dove si concentra la maggior parte della radiazione laser (Fig. 4). Pertanto, è emersa la necessità di migliorare la tecnologia di produzione, il che ha portato alla nascita delle fibre che sono state chiamate “fibra ottimizzata per laser”.

Riso. 4. Differenze nella propagazione della radiazioneLED e laser in fibra ottica

È così che è nata la classificazione delle fibre di silice multimodale, che è stata poi descritta in dettaglio in varie norme. Lo standard ISO/IEC 11801 identifica 4 categorie di fibre multimodali, i cui nomi sono ormai consolidati nell'uso quotidiano. Sono designati dalle lettere latine OM (Optical Multimode) e da un numero che indica la classe della fibra:

• OM1 - fibra multimodale standard 62,5/125 µm;
• OM2 - fibra multimodale standard 50/125 µm;
• OM3 - Fibra multimodale 50/125 µm ottimizzata per il funzionamento laser;
• OM4 è una fibra multimodale da 50/125 µm ottimizzata per il funzionamento laser con prestazioni migliorate.

Per ciascuna classe la norma specifica i valori di attenuazione e di larghezza di banda (parametro che determina la velocità di trasmissione del segnale). I dati sono presentati nella Tabella 1. Le denominazioni OFL (lancio eccessivo) e EMB (larghezza di banda modale effettiva) indicano metodi diversi per determinare la larghezza di banda quando si utilizzano rispettivamente LED e laser.

Tabella 1. Parametri delle fibre ottiche multimodali di diverse classi.

Oggi i produttori di fibre producono anche fibre OM1 e OM2 ottimizzate per il funzionamento laser. Ad esempio, le fibre ClearCurve OM2 e InfiniCor 300 (OM1) di Corning sono adatte per l'uso con sorgenti laser.

Altri standard di settore (IEC 60793-2-10, TIA-492AA, ITU G651.1) forniscono classificazioni simili per le fibre di silice multimodale.

Oltre a queste classi principali, viene prodotta un'ampia varietà di altri tipi di fibre multimodali, che differiscono per alcuni parametri. Tra questi, vale la pena evidenziare le fibre multimodali con basse perdite di flessione per l'installazione in spazi ristretti e le fibre con un raggio di rivestimento protettivo ridotto (200 micron) per un posizionamento più compatto nei cavi multifibra.

Applicazione della fibra multimodale al quarzo

La fibra monomodale è senza dubbio superiore alla fibra multimodale nelle sue caratteristiche ottiche. Tuttavia, poiché i sistemi di comunicazione basati su fibra monomodale sono più costosi, in molti casi, soprattutto nelle linee brevi, è consigliabile utilizzare la fibra multimodale.

L'ambito di applicazione della fibra multimodale è in gran parte determinato dal tipo di emettitore utilizzato e dalla lunghezza d'onda operativa. Per la trasmissione su fibra multimodale, vengono spesso utilizzati tre tipi di emettitori:

• LED(850/1300 nm). A causa della grande divergenza delle radiazioni e dell'ampiezza dello spettro, i LED possono essere utilizzati per la trasmissione su brevi distanze e a bassa velocità. Allo stesso tempo, le linee basate sui LED sono caratterizzate da un basso costo dovuto al basso prezzo dei LED stessi e alla possibilità di utilizzare fibre OM1 e OM2 più economiche.
• Laser Fabry-Perot(1310 nm, meno spesso 1550 nm). Poiché i laser FP (Fabry-Perot) hanno un'ampiezza spettrale piuttosto ampia (2 nm), vengono utilizzati principalmente con fibra multimodale.
• Laser VCSEL(850 nm). Il design speciale dei laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL - laser a emissione superficiale a cavità verticale) aiuta a ridurre i costi del processo di produzione. La radiazione VCSEL è caratterizzata da una bassa divergenza e da un diagramma di radiazione simmetrico, ma la sua potenza è inferiore alla potenza di radiazione di un laser FP. Pertanto, i VCSEL sono adatti per linee corte e ad alta velocità, nonché per sistemi di trasmissione dati paralleli.

La tabella 2 presenta le gamme di trasmissione per la fibra multimodale delle quattro classi principali in varie reti comuni (dati tratti dal sito web della Fiber Optic Association). Questi valori approssimativi aiutano a valutare la fattibilità pratica della fibra di silice multimodale.

Tabella 2. Portata di trasmissione del segnale su fibre multimodali di diverse classi (in metri).

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1.4.1.4 Tipi di fibra multimodale

Gli standard G 651 dell'Unione internazionale delle telecomunicazioni (ITU-T) e 802.3 dell'Institute of Electrical Engineers (IEEE) definiscono le caratteristiche dei cavi in ​​fibra ottica multimodali. I maggiori requisiti di larghezza di banda nei sistemi multimodali, inclusi Gigabit Ethernet (GigE) e 10 GigE, sono rilevanti per le definizioni di quattro diverse categorie di organizzazioni di standardizzazione internazionali (ISO).

1.4.1.5 50 µm. rispetto alle fibre multimodali da 62,5 µm

Durante gli anni '70, le comunicazioni ottiche erano basate su fibre multimodali da 50 µm provenienti da LED e utilizzate sia per brevi che per lunghe distanze. I laser e la fibra monomodale sono entrati in uso negli anni '80 e sono rimasti a lungo l'opzione preferita per le comunicazioni a lunga distanza. Allo stesso tempo, le fibre multimodali erano più efficienti ed economiche per le reti locali come le comunicazioni dei campus su distanze comprese tra 300 e 2000 m.

Alcuni anni dopo, le esigenze delle reti locali aumentarono e divennero necessarie velocità di trasferimento dati più elevate, compresi 10 Mbps. Hanno spinto per l'introduzione della fibra multimodale con un nucleo da 62,5 micron, che potrebbe trasmettere un flusso di 10 Mbit/s su una distanza di oltre 2000 m, grazie alla sua capacità di introdurre più facilmente la luce dei diodi emettitori di luce (LED). Allo stesso tempo, un'apertura numerica maggiore indebolisce maggiormente il segnale nei giunti dei giunti e nelle curve del cavo. La fibra multimodale con core da 62,5 micron è diventata la scelta principale per collegamenti brevi, data center e campus universitari che operano a 10 Mbps.

Oggi, Gigabit Ethernet (1 Gbps) è lo standard e 10 Gbps è più comune nelle reti locali. Il multimodale da 62,5 µm ha raggiunto i suoi limiti prestazionali, supportando 10 Gbps a un massimo di 26 m. Queste limitazioni hanno accelerato l'implementazione di nuovi laser economici chiamati VCSEL e fibre con nucleo da 50 µm ottimizzate per la lunghezza d'onda di 850 nm.

La richiesta di maggiori velocità e capacità di dati suggerisce un maggiore utilizzo di fibra da 50 µm ottimizzata per laser capace di oltre 2000 MHz o km e di trasmissione di dati a lunga distanza. Nella progettazione on-premise, le reti dovrebbero essere progettate per tenere conto delle esigenze di domani.

1.4.1.6 Larghezza di banda e lunghezza di trasmissione

Quando si progettano cavi ottici, è importante comprenderne le capacità in termini di larghezza di banda e distanza. Per garantire il normale funzionamento del sistema, i volumi di trasferimento dei dati devono essere determinati tenendo conto delle esigenze future

Il primo passo è stimare la lunghezza di trasmissione secondo la tabella ISO/IEC 11801 delle distanze consigliate per le reti Ethernet. Questa tabella presuppone lunghezze di cavo continue senza dispositivi, giunti, connettori o altre perdite nella trasmissione del segnale.

Secondo passo, l'infrastruttura di cablaggio deve tenere conto della massima attenuazione del canale per garantire una trasmissione affidabile dei segnali a distanza. Questo valore di attenuazione deve considerare l'intera perdita del canale inclusa

Attenuazione della fibra, che corrisponde a 3,5 dB/km per fibre multimodali a 850 nm e 1,5 dB/km per multimodali a 1300 nm (secondo gli standard ANSI/TIA-568-B.3 e ISO/IEC 11801).

Giunzioni in fibra (solitamente perdita di 0,1 dB), connettori (solitamente fino a 0,5 dB) e altre perdite.

L'attenuazione massima del canale è definita nello standard ANSI/TIA-568-B.1 come segue.