Введение в оптоволоконный кабель

В последние годы стоимость оптических волокон ( оптических волокон и волоконно-оптических кабелей) снизилась, что сделало их экономически доступными для многих других телекоммуникационных и сетевых приложений. В результате оптоволокно получило широкое распространение и стало основой большинства телекоммуникационных сетей и многих локальных сетей передачи данных.

Хотя при создании волоконно -оптической линии связи используется множество компонентов , ключевым элементом, очевидно, является оптоволоконный кабель.

Конструкция оптического волокна

Технология волоконной оптики основана на возможности передачи светового луча по тонкому волокну соответствующей конструкции. Волоконно-оптический кабель состоит из стеклянного или кремниевого сердечника. Сердцевина оптического волокна окружена аналогичным материалом, то есть стеклом или кремнием, называемым оболочкой, показатель преломления которого несколько ниже, чем у сердечника. Установлено, что даже если показатель преломления оболочки немного выше, свет, проходящий по сердечнику, испытывает полное внутреннее отражение и, таким образом, удерживается внутри сердечника оптического волокна.

Снаружи оболочки находится пластиковая оболочка. Она служит для защиты самого оптического волокна. Кроме того, оптические волокна обычно группируются в жгуты и покрываются общей внешней оболочкой. Она не только обеспечивает дополнительную защиту, но и удерживает оптические волокна вместе.

Типы оптических волокон

Существует множество различных типов оптоволоконных кабелей, которые можно использовать, и их можно классифицировать по нескольким признакам. Существует две основные категории:

• Волоконно-оптические кабели со ступенчатым индексом
• Волоконно-оптические кабели с градиентным показателем преломления

Кабель со ступенчатым показателем преломления — это кабель, в котором показатель преломления между сердцевиной и оболочкой меняется ступенчато. Этот тип кабеля используется чаще. Другой тип, как следует из названия, изменяется более плавно по диаметру волокна. При использовании этого типа кабеля свет преломляется к центру кабеля.

Оптические волокна также можно разделить на одномодовые и многомодовые. В литературе часто встречаются упоминания как одномодовых, так и многомодовых волокон.

Этот тип оптического волокна используется практически исключительно в наши дни. Обнаружено, что если диаметр оптического волокна уменьшить до нескольких длин волн, то свет может распространяться только по прямой линии, не отражаясь от края волокна. Поскольку свет может распространяться только в одномодовом режиме, такой тип кабеля называется одномодовым. Обычно диаметр сердцевины одномодового волокна составляет от восьми до десяти микрометров, что значительно меньше толщины волоса.

Одномодовое волокно не подвержено многомодовой дисперсии, что означает, что оно имеет гораздо более широкую полосу пропускания. Основным ограничением полосы пропускания является так называемая хроматическая дисперсия, при которой разные цвета, то есть длины волн, распространяются с разной скоростью. Хроматическая дисперсия оптоволоконного кабеля возникает в центре самого волокна. Установлено, что она отрицательна для коротких длин волн и становится положительной для более длинных. В результате для одномодового волокна существует длина волны, на которой дисперсия равна нулю. Обычно это происходит при длине волны около 1310 нм, и именно поэтому эта длина волны так широко используется.

Недостатком одномодового волокна является необходимость в жёстких допусках при его изготовлении, что повышает его стоимость. Однако, учитывая его превосходные характеристики, особенно при передаче на большие расстояния, были предприняты значительные усилия по разработке одномодового волокна для снижения его стоимости.

Многомодовое волокно      Этот тип волокна имеет больший диаметр, чем одномодовое волокно, обычно около 50 микрон, и это упрощает его изготовление по сравнению с одномодовыми волокнами.

Многомодовое оптическое волокно обладает рядом преимуществ. Благодаря большему диаметру, чем одномодовое, оно может улавливать свет от источника и передавать его приемнику с высокой эффективностью. Благодаря этому его можно использовать с недорогими светодиодами. Кроме того, больший диаметр означает, что не требуются высокоточные разъемы. Однако этот тип оптоволоконного кабеля имеет более высокий уровень потерь, чем одномодовое волокно, и поэтому его использование обходится дороже, чем можно было бы предположить на первый взгляд. Кроме того, многомодовое оптоволокно обладает многомодовой дисперсией, что существенно ограничивает полезную полосу пропускания. В результате с середины 1980-х годов оно не получило широкого распространения. Одномодовый оптоволоконный кабель является предпочтительным типом.

Затухание в оптическом волокне

Хотя оптоволоконные кабели обеспечивают значительно более высокие характеристики по сравнению с другими типами кабелей, они, тем не менее, подвержены некоторому затуханию. Это обусловлено несколькими эффектами:

• Потери, связанные с примесями.      В сердцевине оптического волокна всегда присутствует некоторое количество примесей. Это приводит к некоторому поглощению света внутри волокна. Одной из основных примесей является вода, остающаяся в волокне.
• Потери, связанные с оболочкой.      Когда свет отражается от границы раздела между оболочкой и сердцевиной, он фактически проходит небольшое расстояние по сердцевине, прежде чем отразиться обратно. Этот процесс приводит к небольшим, но значительным потерям и является одним из основных факторов общего затухания сигнала в оптоволоконном кабеле.
• Потери, связанные с длиной волны.      Установлено, что уровень затухания сигнала в оптическом волокне зависит от используемой длины волны. На определённых длинах волн этот уровень увеличивается из-за наличия определённых примесей.

Несмотря на то, что затухание является проблемой, по одномодовым волокнам возможна передача данных на значительные расстояния. Линии со скоростью передачи данных до 50 Гбит/с способны покрывать расстояние до 100 км без необходимости усиления.

Материалы, используемые для оптических волокон

Для изготовления оптических волокон используются два основных типа материалов: стекло и пластик. Их характеристики существенно различаются, поэтому волокна, изготовленные из этих двух материалов, находят самое разное применение.