Как уменьшить потерь в оптическом волокне?

Оптоволоконный кабель, более легкий, компактный и гибкий, чем медный, может передавать сигналы с большей скоростью и на более длинные дистанции. Вместе с тем, на производительность волоконно-оптической передачи может повлиять множество факторов. Среди них потери в оптоволокне являются достаточно легко разрешимой и приоритетной проблемой для инженеров, разрабатывающих ее решения.

Различные типы потерь в оптоволокне

Потери в оптическом волокне могут быть вызваны как внешними, так и внутренними факторами. Затухание сигнала является следствием внутренних характеристик оптоволокна (многомодового и одномодового). Кроме внутренних потерь в оптоволокне, существуют другие типы факторов, приводящих к потерям в соединении, такие как места сращивания, соединения с помощью коннекторов, а также изгибы оптоволокна и т.д.

Рисунок 1: Различные типы потерь в оптоволокне.

Внутренние потери оптоволокна

Потери, вызванные поглощением сигнала в оптоволокне, являются главной причиной затухания сигнала при его передаче. Когда фотоны взаимодействуют с компонентами стекла, такими как электроны или ионы металла, энергия света вследствие молекулярного резонанса и примесей длин волн поглощается и преобразуется в другие формы энергии, например, тепловую.

Потери, связанные с дисперсией, являются результатом искажения светового сигнала при его передаче по оптоволокну. Потери данного типа могут быть интермодальными или интрамодальными. Интермодальная дисперсия - это рассеяние импульса вследствие различий задержки распространения сигнала между модами в многомодовом волокне. В свою очередь, интрамодальная дисперсия проявляется при распространении сигнала в одномодовом волокне, так как показатель преломления или константа распространения меняются вместе с длиной волны.

Потери рассеяния в оптоволокне вызваны микроскопическими вариациями в плотности материала, композиционными флуктуациями, структурной неоднородностью и дефектами изготовления.

Рисунок 2: Рассеяние света из-за композиционных флуктуаций.

Три вышеперечисленных фактора относятся к внутренним факторам затухания сигнала в оптоволокне. Стандарт EIA/TIA-568 определяет следующие значения потерь для разных типов оптоволокна:

Внешние потери в оптоволокне

Потери в местах соединения оптоволокна относятся к другому типу потерь. При сращивании двух концов оптоволокна главной целью должен быть гладкий переход сигнала через место сращивания и отсутствие значительной потери мощности. Но независимо от того, насколько хорошо выполнено сращивание, потери в этом месте неизбежны. Потери при сращивании путем сплавления составляют 0,1 - 0,5 дБ, то есть 0,3 дБ - среднее значение. Для одномодового волокна потери при сращивании путем сплавления, как правило, не превышают 0,05 дБ.

Потери коннекторов, или входные потери оптоволокна, - это затухание мощности сигнала, вызванное наличием постороннего устройства в линии передачи сигнала. Многомодовые коннекторы характеризуются значениями потерь 0,2 - 0,5 дБ (0,3 дБ, как правило). Значения потерь фабричных одномодовых коннекторов не превышают 0,1 - 0,2 дБ, потери при терминировании коннекторами в полевых условиях составляют 0,5 - 1,0 дБ (0,75 дБ - максимальное допустимое стандартом TIA-568 значение).

Сгибание оптоволокна - широко распространенное явление, которое может привести к оптическим потерям при неправильной прокладке оптоволокна. Существует два основных типа изгибов и вызванных ими потерь: микро- и макроизгибы (как показано на картинке ниже). Макроизгибами называются изгибы волокна радиусом более 2 мм.

Рисунок 3: Потери в местах изгибов оптоволокна.

Измерение волоконно-оптических потерь

При подсчете общего значения потерь в оптоволокне, также необходимого для определения “бюджета сети”, нужно учитывать все вышеперечисленные типы потерь. Кроме того, это важно для наличия запаса мощности в сети (необходимого в связи со старением оптоволокна, случайными сгибаниями и скручиваниями). Большинство проектировщиков сети оставляют такой запас, добавляя к бюджету соединения 3 - 10 дБ. Конечно, это правило нерелевантно при бюджете мощности в ~2 дБ, как в некоторых 10-гигабитных многомодовых соединениях. Итак, расчет потерь в оптоволоконной сети должен быть произведен по следующей формуле:

Бюджет сети = [длина оптоволокна (в км) * значение затухания на 1 км] + [потери при сращивании * количество мест сращивания]+[потери коннекторов * количество коннекторов] + [запас прочности]

Для примера приведен расчет потерь стандартного многомодового соединения 850 нм 2 км с 5 местами соединений (2 коннектора на концах и 3 соединения с патч-панелями) и одним местом сращивания в середине. Запас прочности - 5 дБ. Итак, общее значение оптических потерь соединения составит:

[2 km*3.5 dB/km] + [1*0.3 dB] + [5*0.3 dB] + 5 dB = 12.3 dB.

Как уменьшить потери в оптоволокне

Чтобы выходная мощность сигнала попадала в пределы чувствительности приемника, а также чтобы оставался достаточный запас прочности, рассчитанный на ухудшение производительности сети со временем, необходимо максимально уменьшить потери в волоконно-оптическом соединении. Ниже приведено несколько общих подходов для реализации этой цели при разработке проекта и прокладке оптоволоконной сети.

• Использовать высококачественные кабели с максимально схожими характеристиками.

• Выбирать проверенные коннекторы с входными потерями менее 0,3 дБ и добавочными потерями менее 0,2 дБ.

• Использовать максимальную длину цельного кабеля (одна катушка более 500 м), чтобы минимизировать количество кабельных соединений.

• Строго следовать процедуре сращивания и требованиям окружающей среды.

• Соединенные концы должны идеально совпадать и быть закрыты во избежание утечки светового сигнала.

• Поддерживать чистоту коннекторов.

• Выбирать наилучший маршрут и способы прокладки оптоволокна в процессе разработки проекта.

• Сформировать профессиональную команду специалистов для обеспечения качества работ.

• Проводить работы по усилению защиты соединения, особенно защиты от молнии, электрической, антикоррозионной, а также защиты от механических повреждений.

• Использовать высококачественные термоусадочные трубки.

Стандарты IEC для входных потерь различных типов оптоволоконных патч-кордов

Стандарты IEC содержат в себе требования к функционированию коннекторов каждой категории оптоволоконного кабеля. Данные стандарты служат для определения конечными пользователями и производителями наиболее подходящего оптического кабеля в пределах их требований. В соответствии со стандартом потерь случайно сопряженных коннекторов, входные потери коннекторов могут быть разделены на 4 разных класса. Следующая таблица содержит характеристики производительности каждого класса коннек.

Нечувствительные к изгибу оптические кабели с ультранизкими потерями

Что касается высококачественных волоконно-оптических кабелей, помогающих снизить потери, компания FS предлагает кабели, нечувствительные к изгибу, которые характеризуются ультранизкими потерями и маленьким радиусом изгиба, что обеспечивает высокопроизводительную передачу данных. Наши нечувствительные к изгибу патч-корды (BISMF) изготовлены из оптоволокна Corning стандарта G.657.A1 и коннекторов с входными потерями 0,12 дБ, характеризуются минимальным радиусом изгиба в 10 мм. Входные потери данной категории патч-кордов относятся к классу сопряжения В, который характеризуется достаточно высокой производительностью в соответствии со стандартом IEC 61753-1. Многомодовое волокно, нечувствительное к изгибу (BIMMF), характеризуется входными потерями в 0,15 дБ и минимальным радиусом изгиба в 7,5 мм. Наши кабели BIMMF могут быть без проблем соединены со стандартными волоконно-оптическими кабелями.

Рисунок 4: Нечувствительные к изгибу кабели FS с ультранизкими потерями.