Многомодовое волокно

Многомодовое волокно — это тип оптического волокна, по которому одновременно распространяется несколько мод (пространственных лучей) света. Относится к классу диэлектрических волноводов и используется в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) для передачи данных на короткие и средние расстояния (обычно до 2 км). Основное отличие от одномодового волокна — больший диаметр сердцевины (50 или 62,5 мкм), что позволяет использовать менее дорогие источники излучения (светодиоды или VCSEL-лазеры) и упрощает монтаж, но ограничивает дальность и пропускную способность из-за модовой дисперсии.

История

Разработка многомодового волокна началась в 1960-х годах, когда учёные искали способы передачи света по стеклянным нитям. В 1966 году Чарльз Као и Джордж Хокэм (Великобритания) теоретически обосновали возможность создания оптических волокон с низкими потерями, за что Као впоследствии получил Нобелевскую премию по физике (2009). Первые практические образцы многомодового волокна появились в начале 1970-х годов в компании Corning Glass Works (США). Они имели высокое затухание (около 20 дБ/км) и использовались в экспериментальных системах связи.

В 1980-х годах, с развитием полупроводниковых лазеров и фотоприёмников, многомодовое волокно стало стандартом для локальных вычислительных сетей (LAN) и систем передачи данных внутри зданий. Международные стандарты, такие как ISO/IEC 11801 и TIA/EIA-568, закрепили параметры многомодового волокна (50/125 мкм и 62,5/125 мкм). В 1990-х годах появились первые версии стандарта Ethernet на многомодовом волокне (100BASE-FX, 1000BASE-SX). В XXI веке, с ростом потребностей в скорости передачи данных (до 100 Гбит/с и выше), были разработаны новые категории многомодового волокна (OM3, OM4, OM5), оптимизированные для работы с лазерными источниками.

Конструкция и принцип действия

Многомодовое волокно состоит из трёх основных слоёв:

• Сердцевина (core) — центральная часть из кварцевого стекла с высоким показателем преломления (n₁ ≈ 1,46–1,47). Диаметр — 50 мкм или 62,5 мкм.
• Оболочка (cladding) — окружающий слой из стекла с более низким показателем преломления (n₂ ≈ 1,44–1,45). Диаметр — 125 мкм (стандартный).
• Защитное покрытие (buffer/coating) — полимерная оболочка (акрилат, полиамид), защищающая волокно от механических повреждений и влаги. Внешний диаметр — 250 мкм или 900 мкм.

Принцип действия основан на полном внутреннем отражении. Световой луч, введённый в сердцевину под углом, меньшим критического, отражается от границы сердцевина-оболочка и распространяется по зигзагообразной траектории. В многомодовом волокне одновременно существуют сотни или тысячи таких траекторий (мод), каждая из которых проходит разный путь и имеет разное время распространения. Это явление называется модовой дисперсией — основным фактором, ограничивающим дальность и скорость передачи.

Классификация

Многомодовые волокна классифицируются по профилю показателя преломления и по стандартам ISO/IEC 11801.

По профилю показателя преломления

• Ступенчатое многомодовое волокно (step-index multimode fiber) — показатель преломления резко меняется на границе сердцевина-оболочка. Моды распространяются с разными скоростями, что приводит к сильной дисперсии. Используется редко (в основном в коротких линиях до 100 м).
• Градиентное многомодовое волокно (graded-index multimode fiber) — показатель преломления плавно уменьшается от центра к краю сердцевины. Это выравнивает время распространения мод (моды с большим углом проходят более длинный путь, но в области с меньшим показателем преломления, что компенсирует задержку). Модовая дисперсия снижается в десятки раз. Большинство современных многомодовых волокон — градиентные.

По категориям (стандарт ISO/IEC 11801)

Категории OM3, OM4 и OM5 оптимизированы для работы с лазерными источниками (VCSEL — Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) и имеют более низкую модовую дисперсию. OM5 дополнительно поддерживает спектральное уплотнение (SWDM — Short Wavelength Division Multiplexing) для увеличения пропускной способности.

Характеристики

Основные параметры

• Диаметр сердцевины: 50 мкм (стандартный для OM2–OM5) или 62,5 мкм (стандартный для OM1).
• Диаметр оболочки: 125 мкм (стандартный для всех типов).
• Числовая апертура (NA): 0,20–0,29 (определяет угол ввода света). Для 50 мкм — около 0,20, для 62,5 мкм — около 0,275.
• Затухание: 2,5–3,5 дБ/км на длине волны 850 нм; 0,5–1,5 дБ/км на длине волны 1300 нм.
• Полоса пропускания (bandwidth): от 200 МГц·км (OM1) до 4700 МГц·км (OM5) на 850 нм.
• Модовая дисперсия: для OM3–OM5 — менее 0,2 нс/км.

Длины волн

Многомодовое волокно обычно работает на двух длинах волн:

• 850 нм — основной диапазон для коротких линий (до 300–500 м). Используется с VCSEL-лазерами.
• 1300 нм — для более длинных линий (до 2 км). Используется с лазерными диодами или светодиодами.

Применение

Многомодовое волокно широко применяется в следующих областях:

• Локальные вычислительные сети (LAN) — соединение серверов, коммутаторов, маршрутизаторов в зданиях и кампусах. Стандарты Ethernet (100BASE-FX, 1000BASE-SX, 10GBASE-SR, 40GBASE-SR4, 100GBASE-SR10) используют многомодовое волокно.
• Центры обработки данных (ЦОД) — для соединения серверов и систем хранения данных (SAN) на расстояниях до 100–300 м. Категории OM3 и OM4 обеспечивают скорости 40 и 100 Гбит/с.
• Системы видеонаблюдения — передача видеосигнала на расстояния до 2 км.
• Промышленные сети — в условиях электромагнитных помех (например, на заводах, в энергетике).
• Медицина — эндоскопия и лазерная хирургия (используются волокна с большим диаметром сердцевины).
• Военная и авиакосмическая техника — для помехозащищённых линий связи.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Низкая стоимость — многомодовое волокно дешевле одномодового, а также дешевле источники света (светодиоды и VCSEL) и соединители.
• Простота монтажа — допускает большие допуски при сварке и установке разъёмов (благодаря большему диаметру сердцевины).
• Высокая надёжность — устойчивость к электромагнитным помехам, гальваническая развязка.
• Широкая распространённость — стандартизировано, совместимо с большинством сетевого оборудования.

Недостатки

• Ограниченная дальность — из-за модовой дисперсии максимальная длина линии составляет 2–3 км (для 10 Гбит/с — до 300–550 м).
• Ограниченная пропускная способность — уступает одномодовому волокну на больших скоростях (100 Гбит/с и выше).
• Чувствительность к изгибам — при сильных изгибах (радиус менее 15–20 мм) возможны потери света.

Интересные факты

• Первое коммерческое многомодовое волокно (Corning) имело затухание 20 дБ/км — в 100 раз хуже современных образцов.
• В 2010-х годах многомодовое волокно OM4 использовалось в крупнейших ЦОД (например, в Google, Amazon) для соединения тысяч серверов.
• В России многомодовое волокно производится в том числе на заводе «Оптик-Энерго» (Санкт-Петербург) и на предприятии «Пермская научно-производственная приборостроительная компания» (ПНППК).

Источники

• ISO/IEC 11801:2017 «Information technology — Generic cabling for customer premises».
• TIA/EIA-568.3-D «Optical Fiber Cabling Components Standard».
• Keiser G. «Optical Fiber Communications». — McGraw-Hill, 2013.
• Agrawal G. P. «Fiber-Optic Communication Systems». — Wiley, 2010.
• Corning Inc. «Multimode Fiber Product Specifications».
• Стандарты IEEE 802.3 (Ethernet).