Кабели оптические многомодовые для интернета

Классификация и конструкция многомодовых оптических кабелей

Многомодовые оптические кабели (ММ) предназначены для передачи световых сигналов в нескольких модах (путях распространения) на короткие и средние расстояния. Их основная сфера применения – высокоскоростные сети передачи данных внутри зданий, центров обработки данных и кампусных сетей.

1. Конструктивные особенности:

Сердцевина многомодового волокна имеет значительно больший диаметр по сравнению с одномодовым, что позволяет передавать несколько мод света одновременно. Стандартные диаметры сердцевины/оболочки:

• 50/125 мкм: Наиболее распространенный тип для новых проектов. Оптимизирован для работы с вертикально-излучающими лазерами (VCSEL).
• 62.5/125 мкм (OM1): Исторически сложившийся стандарт, сегодня используется реже из-за более низкой полосы пропускания.
• 100/140 мкм и другие: Специализированные волокна, встречаются реже.

Конструкция кабеля включает в себя:

• Оптическое волокно: Сердечник с определенным профилем показателя преломления.
• Защитное первичное покрытие (Primary Coating): Упругое ультрафиолетовое покрытие, наносимое непосредственно на стеклянную оболочку для защиты от микроизгибов.
• Вторичное защитное покрытие (Buffer): Более жесткий пластиковый слой, обеспечивающий механическую защиту отдельного волокна. Может быть плотным (Tight Buffer) или свободным (Loose Tube).
• Силовой элемент: Центральный силовой элемент (ЦСЭ) из стеклопластика (FRP) или стальной трос, либо армирующие нити из арамидных волокон (кевлара). Воспринимает механические нагрузки.
• Гидрофобный заполнитель: Гелеобразное или порошкообразное вещество, препятствующее проникновению влаги вдоль кабеля.
• Внешняя оболочка: Изготавливается из поливинилхлорида (ПВХ), полиэтилена (ПЭ) или безгалогенных огнестойких компаундов (LSZH, FRNC). Выбор материала зависит от условий прокладки (внутренние, внешние, подвесные).

2. Классификация по стандартам ISO/IEC 11801 и TIA-568:

Современная классификация многомодовых волокон основана на их полосе пропускания, измеряемой в МГц·км.

Обозначение	Тип волокна	Диаметр сердцевина/оболочка (мкм)	Длина волны (нм)	Эффективная полоса пропускания (МГц·км)	Применение (макс. скорость / расстояние)
OM1	Многомодовое	62.5/125	850 / 1300	200 / 500	Fast Ethernet (100 Мбит/с) до 2 км, Gigabit Ethernet (1 Гбит/с) до 275 м
OM2	Многомодовое	50/125	850 / 1300	500 / 500	Gigabit Ethernet (1 Гбит/с) до 550 м, 10 Gigabit Ethernet (10 Гбит/с) до 82 м
OM3	Многомодовое (лазер-оптимизированное)	50/125	850 / 1300	1500 / 500	10 Гбит/с до 300 м, 40/100 Гбит/с до 100 м
OM4	Многомодовое (лазер-оптимизированное)	50/125	850 / 1300	3500 / 500	10 Гбит/с до 550 м, 40/100 Гбит/с до 150 м
OM5	Широкополосное многомодовое (WBMMF)	50/125	850-950 (коротковолновое деление)	3500 / 500 (и более для SWDM)	10/40/100 Гбит/с, а также 200/400 Гбит/с с использованием технологии коротковолнового мультиплексирования (SWDM)

Принцип работы и дисперсионные характеристики

Световой импульс, введенный в широкую сердцевину многомодового волокна, распространяется по множеству путей (мод). Каждая мода проходит различное расстояние, что приводит к прибытию отдельных составляющих импульса в разное время на приемнике. Это явление называется межмодовой дисперсией, которая ограничивает полосу пропускания и максимальную дальность передачи.

Для минимизации межмодовой дисперсии в современных волокнах OM3, OM4 и OM5 используется сердцевина с градиентным профилем показателя преломления. Показатель преломления плавно уменьшается от центра к краю сердцевины. Это заставляет световые лучи искривляться, выравнивая время распространения различных мод и значительно увеличивая полосу пропускания.

Хроматическая дисперсия также присутствует в ММ волокне, но ее влияние, как правило, менее значительно по сравнению с межмодовой.

Сравнение многомодовых (MM) и одномодовых (SM) волокон

Выбор между MM и SM волокном является ключевым на этапе проектирования сети.

Параметр	Многомодовое волокно (MM)	Одномодовое волокно (SM)
Диаметр сердцевины	50 или 62.5 мкм	9 мкм
Количество передаваемых мод	Много	Одна
Длина волны передачи	850 нм и 1300 нм	1310 нм, 1550 нм и другие
Источник излучения	Светодиоды (LED) или лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL)	Лазерные диоды (FP, DFB)
Затухание	Выше (~ 2.5 — 3.5 дБ/км на 850 нм)	Ниже (~ 0.3 — 0.4 дБ/км на 1310 нм)
Полоса пропускания	Ограничена межмодовой дисперсией	Очень высокая, ограничена в основном хроматической дисперсией
Дальность передачи	Короткая (до 550 м для 10Гб)	Очень большая (десятки и сотни км)
Стоимость решения	Ниже стоимость активного оборудования (трансиверы); выше стоимость кабеля на единицу длины	Высокая стоимость активного оборудования; ниже стоимость кабеля на единицу длины
Основное применение	Короткие дистанции, СКС, ЦОД, локальные сети	Магистральные сети, FTTx, сети дальней связи

Области применения в сетях передачи данных

1. Горизонтальная кабельная система (в пределах этажа): Подключение рабочих станций к кроссовым комнатам. Используется OM3/OM4 для обеспечения 1/10 Гбит/с.
2. Вертикальная кабельная система (между этажами): Соединение распределительных пунктов разных этажей. Применяются кабели с повышенной огнестойкостью (LSZH).
3. Кабельная система центров обработки данных (ЦОД):
   • Соединения между стойками: Короткие линии (до 150 м) для агрегации трафика на скоростях 40/100/200/400 Гбит/с. Волокна OM4 и OM5 являются стандартом де-факто.
   • Система хранения данных (SAN): Высокоскоростные соединения между серверами и системами хранения.
4. Кампусные сети: Соединение близко расположенных зданий на расстояниях до 500-550 м.

Монтаж, сварка и тестирование

Монтаж многомодовых волокон имеет свои особенности из-за большего размера сердцевины.

• Сварка: Процесс сварки ММ волокон менее критичен к смещению сердцевин, чем для SM волокон, благодаря большему диаметру. Однако для достижения низких потерь (< 0.1 дБ) требуется точное выравнивание по внешней оболочке. Современные сварочные аппараты имеют режимы сварки для многомодовых волокон.
• Механические соединители: Используются коннекторы типа LC, SC, ST, MTP/MPO. Наибольшее распространение в высокоскоростных системах получили малые форм-факторы LC и многопортовые MTP/MPO.
• Тестирование: Основные параметры, подлежащие проверке:
  • Затухание (Insertion Loss): Измеряется с помощью источника излучения (VCSEL для 850 нм) и измерителя мощности. Нормируется для всей линии.
  • Возвратные потери (Return Loss): Характеризует уровень обратного отражения сигнала.
  • Длина: Проверяется с помощью рефлектометра (OTDR). Использование OTDR на ММ волокне требует корректного выбора модулей и настроек, так как многомодовый характер распространения света может искажать рефлектограмму.

Перспективы развития: стандарт OM5 (WBMMF)

Волокно категории OM5 (Широкополосное многомодовое волокно) разработано для поддержки технологии коротковолнового волнового мультиплексирования (SWDM). Оно позволяет передавать несколько волн в диапазоне 850-950 нм по одному волокну, многократно увеличивая его пропускную способность. Это делает OM5 экономически эффективным решением для развертывания сетей 40/100/200/400 Гбит/с на многомодовой инфраструктуре, так как снижает количество требуемых физических волокон.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Почему для многомодовых волокон используются именно длины волн 850 нм и 1300 нм?
Эти длины волн попадают в так называемые «окна прозрачности» кварцевого стекла, где затухание сигнала минимально. Кроме того, для этих длин волн были разработаны недорогие и надежные источники излучения (VCSEL на 850 нм).

2. Можно ли использовать одномодовые трансиверы с многомодовым кабелем?
Нет, это приведет к сильному затуханию и неработоспособности линии. Размер сердцевины SM трансивера (9 мкм) не совпадает с сердцевиной MM кабеля (50/62.5 мкм), что вызывает большие потери на соединении. Существуют специальные режимные кондиционеры (Mode Conditioning Cables), которые в ограниченных случаях позволяют использовать SM оборудование на старых MM линиях, но это частное решение.

3. Что будет, если превысить максимальную длину сегмента для многомодового волокна?
Превышение длины приводит к чрезмерному затуханию сигнала и/или межмодовой дисперсии, что вызывает рост коэффициента битовых ошибок (BER) и, как следствие, нестабильную работу или полную потерю связи.

4. Какие типы коннекторов предпочтительны для новых проектов?
Для дуплексных соединений – LC, благодаря малому размеру и высокой плотности монтажа. Для магистралей и высокоскоростных приложений (40/100 Гбит/с и выше) – многопортовые MTP/MPO (типично на 12 или 24 волокна), которые позволяют одним подключением объединить несколько каналов.

5. В чем основное преимущество OM4 перед OM3?
OM4 имеет примерно в два раза большую эффективную модовую полосу пропускания на длине волны 850 нм (4700 МГц·км против 2000 МГц·км). Это позволяет увеличить дальность передачи для стандартов 10GbE, 40GbE и 100GbE. Например, для 10GbE максимальная дистанция увеличивается с 300 м (OM3) до 550 м (OM4).

6. Является ли OM5 заменой OM4?
OM5 не является заменой в плане превосходства по всем параметрам для одиночных каналов. Его ключевое преимущество – поддержка SWDM, что позволяет увеличить пропускную способность без увеличения количества волокон. Для традиционных приложений (например, 10GbE по одному волокну на длине волны) характеристики OM4 и OM5 идентичны. Выбор OM5 оправдан для будущего апгрейда сетей с использованием технологий мультиплексирования.

7. Как правильно выбрать тип кабеля для прокладки внутри здания?
Для внутренней прокладки обязательны кабели с огнестойкой оболочкой, не распространяющей горение и с низким дымовыделением (типы LSZH, FRNC). Это требование пожарной безопасности. Конструкция – обычно плотный буфер (Tight Buffer) для повышенной гибкости и стойкости к частым перекладкам.

8. Какова типичная долговечность многомодового кабеля?
Срок службы правильно проложенного и эксплуатируемого многомодового оптического кабеля составляет не менее 25 лет. Основные риски – механические повреждения, воздействие влаги (для внешних кабелей) и несоблюдение радиуса изгиба.