eng
Выпуск #7/2024
М.А.Боев, А.И.Микилев, А.Б.Семенов
Оптические и передаточные характеристики многомодовых ОВ и кабелей для локальных линий связи
Оптические и передаточные характеристики многомодовых ОВ и кабелей для локальных линий связи
Просмотры: 588
DOI: 10.22184/2070-8963.2024.123.7.42.50
Рассмотрены характеристики многомодовых телекоммуникационных оптических волокон категорий ОМ1−ОМ5, нашедших широкое применение в мире в составе структурированных кабельных систем, ЦОДах, локальных сетях в качестве экономически эффективной среды передачи. Особое внимание уделяется оптическим и передаточным характеристикам, вопросам стандартизации, отмечается необходимость правильного понимания характеристик и терминов, относящихся к пропускной способности многомодовых волокон, в том числе на коротких расстояниях передачи порядка сотен метров.
Рассмотрены характеристики многомодовых телекоммуникационных оптических волокон категорий ОМ1−ОМ5, нашедших широкое применение в мире в составе структурированных кабельных систем, ЦОДах, локальных сетях в качестве экономически эффективной среды передачи. Особое внимание уделяется оптическим и передаточным характеристикам, вопросам стандартизации, отмечается необходимость правильного понимания характеристик и терминов, относящихся к пропускной способности многомодовых волокон, в том числе на коротких расстояниях передачи порядка сотен метров.
Теги: fiber optic cables modal bandwidth-length product for overfilled launch multimode optical fibers optical fibers коэффициент широкополосности волокна многомодовые оптические волокна оптические волокна оптические кабели
Оптические и передаточные характеристики многомодовых ОВ и кабелей для локальных линий связи
М.А.Боев, д.т.н., профессор НИУ МЭИ / maboev@mail.ru,
А.И.Микилев, к.ф-м.н., ведущий научный сотрудник ОАО "ВНИИКП" / a.mikilev@vniikp.ru,
А.Б.Семенов, д.т.н., проф. НИУ МГСУ / andre52.55@mail.ru
УДК 681.7.068, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.123.7.42.50
Рассмотрены характеристики многомодовых телекоммуникационных оптических волокон категорий ОМ1−ОМ5, нашедших широкое применение в мире в составе структурированных кабельных систем, ЦОДах, локальных сетях в качестве экономически эффективной среды передачи. Особое внимание уделяется оптическим и передаточным характеристикам, вопросам стандартизации, отмечается необходимость правильного понимания характеристик и терминов, относящихся к пропускной способности многомодовых волокон, в том числе на коротких расстояниях передачи порядка сотен метров.
Введение
Одной из самых надежных сред передачи информации в стационарных проводных телекоммуникационных линиях является оптическое волокно (ОВ). Продолжая наши предыдущие публикации, посвященные одномодовым оптическим волокнам [1−4], в данной статье несколько дополним тему рассмотрением телекоммуникационных многомодовых оптических волокон (ММ ОВ). В данной статье ставится цель обратить внимание читателей на возможные перспективы и потенциальный технико-экономический эффект от применения ММ ОВ, учитывая недостаточную, по нашему мнению, развитость отечественного рынка в этом направлении. Также обращено особое внимание на правильное понимание терминологии касательно пропускной способности ММ ОВ.
Волоконно-оптической связи посвящено огромное число публикаций, патентов, стандартов и др. Не ставя цели дать систематизированный обзор по теме статьи, указанной в названии, обратим внимание на, вероятно, наиболее раннюю отечественную статью, посвященную применению ММ ОВ в кабельной инфраструктуре российских инфокоммуникационных сетей [5], а также на относительно недавнюю зарубежную – [6]. Возможно, пересекаясь во многом с их содержанием, авторы все же надеются дополнить тему некоторыми деталями, сосредоточившись в основном на ММ ОВ категорий ОМ2–ОМ5 с градиентным профилем показателя преломления (ППП) сердцевины. Основной областью их применения являются кабели внутриобъектовых систем передачи протяженностью порядка сотен м (иногда до нескольких км). Это структурированные кабельные системы (СКС), соединительные линии в ЦОДах, внутриобъектовые оптические кабели (ОК) в локальных сетях передачи (ЛВС) и др.
При этом заметим, что в целом класс всевозможных ММ ОВ и ОК значительно более обширен, чем здесь рассматривается, и включает, например, ОВ со ступенчатым и/или квазиградиентным профилем, кварц-полимерные и полимерные и многие другие [7]. Область использования широкого семейства ММ ОВ не ограничивается только телекоммуникационной отраслью, но гораздо шире. Это применения, в частности, в медицинской, автомобильной, аэрокосмической, энергетической отраслях, в технологии лазерной обработки и в ряде других сфер. И можно с уверенностью сказать, что эра волоконной оптики только началась и не завершится теперь уже никогда.
Объемы производства ОВ
В 2023 году примерно 98% объема производства телекоммуникационного волокна приходилось на ОМ ОВ, а доля многомодового составляла не более 2%. Однако, в силу того, что себестоимость и цена продажи ММ ОВ обычно выше одномодового, в денежном выражении различие в объемах продаж и потребления "многомода" и "одномода" представляется не столь значительным.
В России объем потребления (включая импорт) телекоммуникационного ОВ в 2021–2023 годах не превышал 7,5 млн км в год, при этом около 25% заняло отечественное ОМ ОВ производства АО "Оптоволоконные системы" [8]. Объем импорта, производства и потребления "многомода" у нас проследить очень сложно. Можно, скорее всего, заключить, что рынок ММ ОВ в России пока что незначителен, а потенциальный спрос и динамику рынка спрогнозировать непросто. Но при этом следует обратить внимание на возможность промышленного выпуска отечественного градиентного ММ ОВ категорий, близких к ОМ2−ОМ3 [9, 10].
Стандарты и нормативы
В отличие от телекоммуникационных ОМ ОВ, для которых имеющаяся нормативная база достаточно последовательна, выверена и основана на серии рекомендаций МСЭ-Т G.652−G.657 и стандарте IEC 60793-2-50, в случае ММ ОВ, к сожалению, особой логики в истории его стандартизации не просматривается. Стараясь не завести далеко читателей в эту, на наш взгляд, довольно утомительную, часто противоречивую и изобилующую многочисленными мелкими деталями историю, отметим в качестве путеводной нити наиболее "свежие", действующие на сегодняшнюю дату международные документы, относящиеся к стандартизации характеристик ММ ОВ:
Из отечественных нормативов, где упомянуты требования к характеристикам ММ ОВ (наряду с требованиями к ОМ ОВ), отметим ГОСТ Р МЭК 60793-2-10-2018 [14] и ГОСТ Р 52266-2020 [15] с тем примечанием, что документы местами требуют актуализации, корректировки и приведения в точное соответствие с [11, 12] в некоторых второстепенных деталях.
Типы и конструкции ММ ОВ
Ранее нами [1−4] были рассмотрены и классифицированы ОМ ОВ, а здесь аналогичным образом классифицируем ММ ОВ (см. рис.1).
Основные типы и конструкции ММ ОВ согласно группе стандартов IEC 60793-2-10/20/30/40 приведены в табл.1.
Далее будем рассматривать главным образом градиентные ММ ОВ на основе кварцевого стекла (категории A1 в табл.1). Эти ОВ известны в мировом и отечественном телекоме под более привычными обозначениями ОМ1−ОМ5 по классификации ISO [13]. Такие ММ ОВ производятся многими зарубежными фирмами, включая Corning [16], Prysmian Group – Draka [17], OFS [18], Fujikura [19], Sumitomo [20], FiberHome [21], YOFC [22] и др. Также подобная продукция производится и некоторыми российскими предприятиями [9, 10], о чем упоминалось выше. Однако российское ММ ОВ выпускается в значительно меньших объемах и мало известно на широком рынке. В то же время зарубежная оптоволоконная продукция, в том числе и ММ ОВ в виде всевозможных соединительных кабелей и многого прочего имеется даже в розничной продаже.
В табл.2 приведены основные технические требования для ММ ОВ категорий ОМ1–ОМ5, за основу взяты технические требования упомянутых cтандартов МЭК и МСЭ-Т [11, 12].
Помимо параметров, приведенных в табл.2, в упомянутых нормативных документах имеются требования к ряду других характеристик: некруглость и неконцентричность сердцевины, оболочки, защитного покрытия и т.д. Эти параметры можно легко найти в спецификациях производителей, технических справочниках, и на них в настоящей статье не будем подробно останавливаться. Сосредоточимся на наиболее важных и интересных для эффективного применения ММ ОВ характеристиках, от которых в первую очередь зависит качество передачи сигнала, то есть на оптических и передаточных характеристиках. Сначала на коэффициенте затухания и далее особое внимание обратим на так называемый коэффициент широкополосности ММ ОВ в его современной интерпретации.
Коэффициент затухания и рабочие диапазоны длин волн ММ ОВ
Основой конструкции градиентных ММ ОВ категорий ОМ2−ОМ5 является легированное теми или иными добавками (чаще германием, фтором) синтетическое кварцевое стекло.
Для читателей, интересующихся свойствами кварцевого стекла можем среди многочисленных возможных других настоятельно рекомендовать книгу [23]. Оптическая область прозрачности чистого кварцевого стекла достаточно широка: от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона, ориентировочно от ~160 до ~3500 нм. В наиболее распространенных типах ММ ОВ их светоотражающая оболочка чаще всего выполнена из нелегированного стекла (есть и другие варианты), а сердцевину легируют обычно германием с целью получения градиентного ППП. Соответственно, оптическая область прозрачности у легированной сердцевины несколько сужается, кроме того, в изготовленных ММ ОВ присутствует так называемый пик воды на длине волны 1395 нм, аналогичный тому, который имеется в некоторых ОМ ОВ [1−3]. Типичный график спектрального затухания современного телекоммуникационного ММ ОВ приведен на рис.2.
В стандартизованных многомодовых системах передачи первых поколений, да и в большинстве современных таких системах чаще всего используется не весь оптический диапазон, а только отдельные длины волн в окрестностях 850 и 1300 нм. Кроме того, в современных системах так называемого коротковолнового спектрального уплотнения на четырех длинах волн (SWDM – Short Wave Division Multiplexing) сегодня активно осваиваются длины волн 850, 880, 910 и 940 нм [24, 25], для которых стандартизировано наиболее продвинутое ММ ОВ категории ОМ5. Характеристики волокна ОМ5 также приведены в табл.2.
В принципе, нет особых препятствий для применения "многомода" и на других длинах волн, начиная от ближнего ультрафиолетового диапазона, с учетом возможных ограничений по затуханию. Очень возможно, что в будущих системах с небольшими расстояниями передачи (порядка единиц и десятков м, например для оптических межсоединений в квантовых компьютерах и т.п.) мы будем свидетелями этого.
На стандартных сегодня для ММ ОВ рабочих длинах волн 850/1300 нм коэффициент затухания обычно составляет около 2,2 и 0,6 дБ/км, соответственно. Это затухание, хоть и может показаться достаточно большим в сравнении с ОМ ОВ, в общем-то не столь критично для коротких (сотни м) линий, для которых ММ ОВ и предназначено. У большинства типичных современных многомодовых систем полное затухание в линии, даже с учетом потерь в коннекторах, составляет порядка 1–2 дБ.
Характеристики затухания на изгибах
Помимо "спектрального затухания" для ММ ОВ (также как и для многих ОМ ОВ), практически значимыми в последние годы стали характеристики затухания на изгибах и микроизгибах. В частности, это требование становится более актуальным по причине сильно выросшей емкости СКС/ЦОД/ЛВС и, соответственно, – плотности оптической кабельной сети в них. Отметим, что меньшая чувствительность затухания к изгибу у современных конструкций ММ ОВ дает дополнительные преимущества при прокладке таких ОВ в условиях ограниченного места в кабельных каналах внутри ЦОД, в панелях, кроссах и прочем, а также в более экстремальных случаях при пониженных температурах эксплуатации.
Примерно с 2010 года большинство производителей стали совершенствовать конструкции ММ ОВ и многие перешли на выпуск более стойких к изгибу конструкций. Данные тенденции нашли отражение и в последней версии упомянутого выше стандарта IEC 60793-2-10-2019 [11].
Вследствие этих изменений современная номенклатура ММ ОВ категорий ОМ2−ОМ5 оказалась разделенной на два "подвида": категория "а" – обычное ММ ОВ и категория "b" – стойкое к изгибам ММ ОВ. В табл.2 требования к затуханию на изгибах приведены в последних строках снизу. К примеру, волокно ОМ3 сегодня может поступить некоему заказчику в современном "изгибостойком" варианте A1-OM3b (категория "b"), однако не исключено, что и в "старом" варианте A1-OM3а (категория "а") (рис.3).
Кстати, соответствующие различия в конструкциях современных ММ ОВ можно также проследить в многочисленной патентной базе последних 20 лет. Но на практике сегодня редкий пользователь знает (скорее всего – вообще не слышал) про "тонкости" относительно конструкций и чувствительности к изгибу различных ММ ОВ и не сможет самостоятельно определить эти различия вплоть до того момента, когда какой-нибудь шнур или соединительный кабель не окажется где-нибудь сильно зажатым или изогнутым в его кабельной сети. Соответственно, в случае каких-либо "подозрений" и проблем, можно рекомендовать обращаться за разъяснениями к соответствующему производителю ОВ или ОК и уделять большее внимание изучению спецификаций.
Пропускная способность ММ ОВ: что следует знать
Данная статья могла бы выйти в свет значительно раньше, чем это произошло по факту. Однако в процессе работы над ней авторы пришли к заключению, что применительно к ММ ОВ параметр bandwidth (и его русский перевод, дословно: "полоса пропускания") за последние два десятилетия почти полностью потерял свое техническое содержание и превратился едва ли не в коммерческий жаргон. На осознание этого факта ушло значительное время. Бесполезно анализировать, почему и как это произошло. Но имеющее место сегодняшнее искажение смысла "широкополосности" ММ ОВ уже настолько широко растиражировано во множестве документов (спецификациях и прочих источниках), что исправить положение представляется почти невозможным.
Если обратиться к упомянутой выше рекомендации МСЭ-Т от 2018 года [12] в качестве твердой основы для правильной терминологии, то технические требования к широкополосности ММ ОВ записаны там в виде требований к параметру, названному так: Modal bandwidth-length product for overfilled launch. Авторы предлагают следующий перевод: "Произведение модовой полосы пропускания на длину волокна для переполненного возбуждения".
Отметим, что одним из ключевых здесь, помимо собственно "полосы пропускания" и прочих деталей, является слово "произведение" (product)! Однако в "даташитах" ведущих производителей волокна мы уже нигде не увидим и намека на это ключевое слово. Обычно указано что-нибудь вроде modal bandwidth, overfilled modal bandwidth и т.п. Более заинтересованным специалистам рекомендуем заглянуть в соответствующие спецификации ММ ОВ на упомянутых выше сайтах [16−22].
Таким образом, первоначально более или менее стандартизированный параметр "произведение полосы пропускания на длину (волокна)" сегодня нам преподносится в форме не совсем корректных терминов "полоса пропускания", "коэффициент широкополосности" и т.д. Именно поэтому в табл.2 в данной статье мы указываем не "коэффициент широкополосности", но "произведение полосы пропускания на длину волокна" с учетом того или иного метода измерений. И это принципиально важно, но не только это. Возможно, нам удастся написать более подробную и развернутую статью (статьи) по рассматриваемому вопросу правильного понимания "широкополосности" ММ ОВ. При этом придется еще заняться и методами измерений [26, 27], где еще остается также весьма немало неоднозначностей и "белых пятен". А пока что, предварительно, помимо нашего намека на необходимость вернуться на истинный путь правильного понимания смысла характеристик широкополосности ММ ОВ, далее еще затронем и вопрос о правильной размерности параметров широкополосности.
Современный так называемый "коэффициент широкополосности" ММ ОВ (обозначим его как B) принято "линейно нормировать" относительно единицы длины волокна:
B= BLопт * L,
где BLопт – это фактически измеренная на катушке ОВ длиной L оптическая полоса пропускания ОВ, выражаемая в МГц (или в ГГц).
Длина ОВ на катушке у большинства производителей обычно равна 4,4–17,6 км, и на этой всей (а не на 1 км, как положено по нормативам!) длине производится измерение BL. С применением принятой сегодня практики такой "линейной нормализации" "коэффициента широкополосности", получим следующее. Если производитель определил, что полоса пропускания ММ ОВ в результате измерений (пока не важно, каким способом) на катушке длиной 10 км получилась, например, 500 МГц, то свой полученный таким образом "коэффициент широкополосности" он указывает как 500 МГц × 10 км = 5000 МГц × км, и относит волокно к категории ОМ4.
Однако конечный потребитель обычно имеет дело с волокном длиной в десятки-сотни метров в составе соединительного кабеля. Если предположить, что "линейная нормализация" правомочна (в чем есть определенные сомнения!), то в таком случае полоса пропускания этого ММ ОВ должна быть обратно пропорциональна длине волокна. Соответственно, истинная полоса пропускания волокна длиной 10 км (фактически измеренная) равна 500 МГц, при длине 1 км она, по принятому "линейному" расчету, ожидаемо должна быть 5 ГГц, а при длине 100 м, аналогичным образом, – 50 ГГц.
Однако есть немалые основания полагать, что подобная "линейная нормализация" не основана на доказанных физических принципах. Имеется достаточно публикаций о том, что уширение оптического импульса в ММ ОВ за счет межмодовой дисперсии ведет себя не как линейная функция, а как корень квадратный от расстояния. Это происходит после некоторого так называемого состояния "установившегося равновесия мод", которое зависит от целого множества других физических факторов, и в которые уже мы не имеем возможности углубляться в пределах объема данной статьи. Но общий результат, весьма вероятно, будет таков, что декларируемая пропускная способность (в смысле произведения полосы пропускания на длину волокна) ММ ОВ длиной порядка 0,1−1 км окажется значительно меньшей, чем в более длинном ОВ в несколько километров.
Ограничив вышесказанными рассуждениями наше отношение к распространенному пониманию "коэффициента широкополосности" ММ ОВ, надеемся еще вернуться к данному вопросу с значительно бόльшими подробностями в будущих публикациях. А пока отметим, что сделать однозначный вывод о том, что некое конкретное ММ ОВ соответствует своей заявленной категории ОМ3−ОМ5, без специальных измерений обычному потребителю практически невозможно. Чтобы измерить "истинную широкополосность" (да и ряд других параметров, даже коэффициент затухания с приемлемой точностью) ММ ОВ на коротких длинах его физической длины (менее 1 км ), приходится иметь дело с десятыми , а то и сотыми долями нс, дБ и пр. Соответствующее измерительное оборудование весьма уникально и дорого, а надежных и утвержденных методик измерений пока не существует. Хотя формально можно "поверить на слово" изготовителю. По признаку "широкополосности" внешнюю оболочку соединительных многомодовых кабелей обычно окрашивают в следующие цвета: одномодовое ОВ – желтый, ОМ1 – серый, ОМ2 – оранжевый, ОМ3 – бирюзовый, ОМ4 – сиреневый, ОМ5 – салатовый. Но не все кабельные заводы строго придерживаются именно такой окраски ОК.
К практике применения ММ ОВ: дальнейшие перспективы
Ранее мы упоминали, что у телекоммуникационного ММ ОВ имеется много конкурентов даже в его традиционных областях применения, где расстояние передачи не превышает сотен метров. Но если ограничить область конкуренции только оптическим волокном, то в качестве альтернативы "многомоду" остается только ОМ ОВ. С учетом того, что "одномод" дешевле, а активное одномодовое оборудование также дешевеет, можно ли предположить, что ММ ОВ когда-нибудь вообще уйдет со сцены (хотя на отечественную сцену, за исключением ОК для спецприменений, оно особо еще и не приходило)? На наш взгляд, этого не произойдет, так как, как говорилось в начале статьи, эра волоконной оптики только начинается, и найдется место всем решениям.
В пользу перспектив применения телекоммуникационных ММ ОВ, и сегодняшних стандартных, и будущих конструкций, можно привести следующие аргументы:
Заключение
Кратко рассмотрены основные оптические и передаточные характеристики современных градиентных типов ММ ОВ типоразмера 50/125 мкм, категорий ОМ1−ОМ5, широко применяемых в локальных телекоммуникационных сетях во всем мире. Российские масштабы производства и применения подобных ОВ пока незначительны, хотя потенциал рынка и возможный технико-экономический эффект от более широкого внедрения ММ ОВ нам представляются сегодня очень недооцененными.
Важно уделить внимание вопросу контроля качества и уровня характеристик ММ ОВ. Соответствие его мировому уровню по комплексу характеристик, обеспечение качества и надежности предполагает стабильные технологии производства, аттестованные методики испытаний, наличие соответствующего контрольно-измерительного оборудования.
Терминология, методы определения "параметров широкополосности", их корректность, предельно достижимые характеристики локальных кабельных сетей с применением ММ ОВ требуют переосмысления и написания, по-видимому, нескольких отдельных статей по этим вопросам.
ЛИТЕРАТУРА
Микилев А. Оптические волокна стандартной группы: эволюция и перспективы // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2015. № 6. С. 34−39.
Микилев А. ОВ для наземных ВОСП со сверхнизким затуханием и увеличенной эффективной площадью // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2017. № 3. С. 14−18.
Микилев А., Павлычев М. Оптические волокна класса ULL: характеристики и вопросы применения // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2021. № 8. С. 18−25.
Боев М.А., Ким Э., Микилев А.И. Вопросы конструирования оптических кабелей для применения в терабитных системах передачи // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. № 8. С. 52−56.
Бурдин А.В. Многомодовые оптические волокна в современной кабельной инфраструктуре российских инфокоммуникационных сетей // Электросвязь. 2010. № 4. С. 24−27.
Камино Дж. Стандарты внутри объектового многомодового волокна: что нового? // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2019. № 3. С. 42−47.
Мендез А., Морзе Т.Ф. Справочник по специализированным оптическим волокнам / Под ред. Пестрецовой К.А. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2012. 728 c.
https://rusfiber.ru/
https://pnppk.ru/optich
Многомодовое оптическое волокно с градиентным профилем показателя преломления [Электронный ресурс]. URL: http://goi.ru/production/fiber/mm/grad (дата обращения 15.10.2024).
IEC 60793-2-10 (2019)
Рекомендации МСЭ-Т G.651.1 (2018)
ISO/IEC 11801-1:2017.
ГОСТ Р МЭК 60793-2-10.
ГОСТ Р 52266-2020.
https://www.corning.com
https://ru.prysmiangroup.com
https://www.ofsoptics.com
https://www.fujikura.co.jp
https://global-sei.com
https://en.fiberhome.com
https://en.yofc.com/
Леко В.К., Мазурин О.В. Свойства кварцевого стекла. Л.: Наука, 1985.
Второе дыхание многомода. [Электронный ресурс]. URL: https://habr.com/ru/companies/comptek/articles/350098/ (дата обращения 15.10.2024).
Семенов А. Многомодовое волокно с улучшенными частотными свойствами // Журнал сетевых решений LAN. 2013. № 2.
IEC 60793-1-41. Optical fibres Part 1-41. Measurement methods and test procedures Bandwidth.
IEC 60793-1-49. Optical fibres Part 1-49: Measurement methods and test procedures Differential mode delay
World’s First Successful Transmission of 1 Petabit per Second Using a Single-core Multimode Optical Fiber [Электронный ресурс]. URL: https://www.nict.go.jp/en/press/2020/12/18-1.html (дата обращения 15.10.2024).
М.А.Боев, д.т.н., профессор НИУ МЭИ / maboev@mail.ru,
А.И.Микилев, к.ф-м.н., ведущий научный сотрудник ОАО "ВНИИКП" / a.mikilev@vniikp.ru,
А.Б.Семенов, д.т.н., проф. НИУ МГСУ / andre52.55@mail.ru
УДК 681.7.068, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.123.7.42.50
Рассмотрены характеристики многомодовых телекоммуникационных оптических волокон категорий ОМ1−ОМ5, нашедших широкое применение в мире в составе структурированных кабельных систем, ЦОДах, локальных сетях в качестве экономически эффективной среды передачи. Особое внимание уделяется оптическим и передаточным характеристикам, вопросам стандартизации, отмечается необходимость правильного понимания характеристик и терминов, относящихся к пропускной способности многомодовых волокон, в том числе на коротких расстояниях передачи порядка сотен метров.
Введение
Одной из самых надежных сред передачи информации в стационарных проводных телекоммуникационных линиях является оптическое волокно (ОВ). Продолжая наши предыдущие публикации, посвященные одномодовым оптическим волокнам [1−4], в данной статье несколько дополним тему рассмотрением телекоммуникационных многомодовых оптических волокон (ММ ОВ). В данной статье ставится цель обратить внимание читателей на возможные перспективы и потенциальный технико-экономический эффект от применения ММ ОВ, учитывая недостаточную, по нашему мнению, развитость отечественного рынка в этом направлении. Также обращено особое внимание на правильное понимание терминологии касательно пропускной способности ММ ОВ.
Волоконно-оптической связи посвящено огромное число публикаций, патентов, стандартов и др. Не ставя цели дать систематизированный обзор по теме статьи, указанной в названии, обратим внимание на, вероятно, наиболее раннюю отечественную статью, посвященную применению ММ ОВ в кабельной инфраструктуре российских инфокоммуникационных сетей [5], а также на относительно недавнюю зарубежную – [6]. Возможно, пересекаясь во многом с их содержанием, авторы все же надеются дополнить тему некоторыми деталями, сосредоточившись в основном на ММ ОВ категорий ОМ2–ОМ5 с градиентным профилем показателя преломления (ППП) сердцевины. Основной областью их применения являются кабели внутриобъектовых систем передачи протяженностью порядка сотен м (иногда до нескольких км). Это структурированные кабельные системы (СКС), соединительные линии в ЦОДах, внутриобъектовые оптические кабели (ОК) в локальных сетях передачи (ЛВС) и др.
При этом заметим, что в целом класс всевозможных ММ ОВ и ОК значительно более обширен, чем здесь рассматривается, и включает, например, ОВ со ступенчатым и/или квазиградиентным профилем, кварц-полимерные и полимерные и многие другие [7]. Область использования широкого семейства ММ ОВ не ограничивается только телекоммуникационной отраслью, но гораздо шире. Это применения, в частности, в медицинской, автомобильной, аэрокосмической, энергетической отраслях, в технологии лазерной обработки и в ряде других сфер. И можно с уверенностью сказать, что эра волоконной оптики только началась и не завершится теперь уже никогда.
Объемы производства ОВ
В 2023 году примерно 98% объема производства телекоммуникационного волокна приходилось на ОМ ОВ, а доля многомодового составляла не более 2%. Однако, в силу того, что себестоимость и цена продажи ММ ОВ обычно выше одномодового, в денежном выражении различие в объемах продаж и потребления "многомода" и "одномода" представляется не столь значительным.
В России объем потребления (включая импорт) телекоммуникационного ОВ в 2021–2023 годах не превышал 7,5 млн км в год, при этом около 25% заняло отечественное ОМ ОВ производства АО "Оптоволоконные системы" [8]. Объем импорта, производства и потребления "многомода" у нас проследить очень сложно. Можно, скорее всего, заключить, что рынок ММ ОВ в России пока что незначителен, а потенциальный спрос и динамику рынка спрогнозировать непросто. Но при этом следует обратить внимание на возможность промышленного выпуска отечественного градиентного ММ ОВ категорий, близких к ОМ2−ОМ3 [9, 10].
Стандарты и нормативы
В отличие от телекоммуникационных ОМ ОВ, для которых имеющаяся нормативная база достаточно последовательна, выверена и основана на серии рекомендаций МСЭ-Т G.652−G.657 и стандарте IEC 60793-2-50, в случае ММ ОВ, к сожалению, особой логики в истории его стандартизации не просматривается. Стараясь не завести далеко читателей в эту, на наш взгляд, довольно утомительную, часто противоречивую и изобилующую многочисленными мелкими деталями историю, отметим в качестве путеводной нити наиболее "свежие", действующие на сегодняшнюю дату международные документы, относящиеся к стандартизации характеристик ММ ОВ:
- IEC 60793-2-10 (2019) [11];
- Рекомендация МСЭ-Т G.651.1 (2018 г.) [12];
- ISO/IEC 11801-1:2017 [13].
Из отечественных нормативов, где упомянуты требования к характеристикам ММ ОВ (наряду с требованиями к ОМ ОВ), отметим ГОСТ Р МЭК 60793-2-10-2018 [14] и ГОСТ Р 52266-2020 [15] с тем примечанием, что документы местами требуют актуализации, корректировки и приведения в точное соответствие с [11, 12] в некоторых второстепенных деталях.
Типы и конструкции ММ ОВ
Ранее нами [1−4] были рассмотрены и классифицированы ОМ ОВ, а здесь аналогичным образом классифицируем ММ ОВ (см. рис.1).
Основные типы и конструкции ММ ОВ согласно группе стандартов IEC 60793-2-10/20/30/40 приведены в табл.1.
Далее будем рассматривать главным образом градиентные ММ ОВ на основе кварцевого стекла (категории A1 в табл.1). Эти ОВ известны в мировом и отечественном телекоме под более привычными обозначениями ОМ1−ОМ5 по классификации ISO [13]. Такие ММ ОВ производятся многими зарубежными фирмами, включая Corning [16], Prysmian Group – Draka [17], OFS [18], Fujikura [19], Sumitomo [20], FiberHome [21], YOFC [22] и др. Также подобная продукция производится и некоторыми российскими предприятиями [9, 10], о чем упоминалось выше. Однако российское ММ ОВ выпускается в значительно меньших объемах и мало известно на широком рынке. В то же время зарубежная оптоволоконная продукция, в том числе и ММ ОВ в виде всевозможных соединительных кабелей и многого прочего имеется даже в розничной продаже.
В табл.2 приведены основные технические требования для ММ ОВ категорий ОМ1–ОМ5, за основу взяты технические требования упомянутых cтандартов МЭК и МСЭ-Т [11, 12].
Помимо параметров, приведенных в табл.2, в упомянутых нормативных документах имеются требования к ряду других характеристик: некруглость и неконцентричность сердцевины, оболочки, защитного покрытия и т.д. Эти параметры можно легко найти в спецификациях производителей, технических справочниках, и на них в настоящей статье не будем подробно останавливаться. Сосредоточимся на наиболее важных и интересных для эффективного применения ММ ОВ характеристиках, от которых в первую очередь зависит качество передачи сигнала, то есть на оптических и передаточных характеристиках. Сначала на коэффициенте затухания и далее особое внимание обратим на так называемый коэффициент широкополосности ММ ОВ в его современной интерпретации.
Коэффициент затухания и рабочие диапазоны длин волн ММ ОВ
Основой конструкции градиентных ММ ОВ категорий ОМ2−ОМ5 является легированное теми или иными добавками (чаще германием, фтором) синтетическое кварцевое стекло.
Для читателей, интересующихся свойствами кварцевого стекла можем среди многочисленных возможных других настоятельно рекомендовать книгу [23]. Оптическая область прозрачности чистого кварцевого стекла достаточно широка: от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона, ориентировочно от ~160 до ~3500 нм. В наиболее распространенных типах ММ ОВ их светоотражающая оболочка чаще всего выполнена из нелегированного стекла (есть и другие варианты), а сердцевину легируют обычно германием с целью получения градиентного ППП. Соответственно, оптическая область прозрачности у легированной сердцевины несколько сужается, кроме того, в изготовленных ММ ОВ присутствует так называемый пик воды на длине волны 1395 нм, аналогичный тому, который имеется в некоторых ОМ ОВ [1−3]. Типичный график спектрального затухания современного телекоммуникационного ММ ОВ приведен на рис.2.
В стандартизованных многомодовых системах передачи первых поколений, да и в большинстве современных таких системах чаще всего используется не весь оптический диапазон, а только отдельные длины волн в окрестностях 850 и 1300 нм. Кроме того, в современных системах так называемого коротковолнового спектрального уплотнения на четырех длинах волн (SWDM – Short Wave Division Multiplexing) сегодня активно осваиваются длины волн 850, 880, 910 и 940 нм [24, 25], для которых стандартизировано наиболее продвинутое ММ ОВ категории ОМ5. Характеристики волокна ОМ5 также приведены в табл.2.
В принципе, нет особых препятствий для применения "многомода" и на других длинах волн, начиная от ближнего ультрафиолетового диапазона, с учетом возможных ограничений по затуханию. Очень возможно, что в будущих системах с небольшими расстояниями передачи (порядка единиц и десятков м, например для оптических межсоединений в квантовых компьютерах и т.п.) мы будем свидетелями этого.
На стандартных сегодня для ММ ОВ рабочих длинах волн 850/1300 нм коэффициент затухания обычно составляет около 2,2 и 0,6 дБ/км, соответственно. Это затухание, хоть и может показаться достаточно большим в сравнении с ОМ ОВ, в общем-то не столь критично для коротких (сотни м) линий, для которых ММ ОВ и предназначено. У большинства типичных современных многомодовых систем полное затухание в линии, даже с учетом потерь в коннекторах, составляет порядка 1–2 дБ.
Характеристики затухания на изгибах
Помимо "спектрального затухания" для ММ ОВ (также как и для многих ОМ ОВ), практически значимыми в последние годы стали характеристики затухания на изгибах и микроизгибах. В частности, это требование становится более актуальным по причине сильно выросшей емкости СКС/ЦОД/ЛВС и, соответственно, – плотности оптической кабельной сети в них. Отметим, что меньшая чувствительность затухания к изгибу у современных конструкций ММ ОВ дает дополнительные преимущества при прокладке таких ОВ в условиях ограниченного места в кабельных каналах внутри ЦОД, в панелях, кроссах и прочем, а также в более экстремальных случаях при пониженных температурах эксплуатации.
Примерно с 2010 года большинство производителей стали совершенствовать конструкции ММ ОВ и многие перешли на выпуск более стойких к изгибу конструкций. Данные тенденции нашли отражение и в последней версии упомянутого выше стандарта IEC 60793-2-10-2019 [11].
Вследствие этих изменений современная номенклатура ММ ОВ категорий ОМ2−ОМ5 оказалась разделенной на два "подвида": категория "а" – обычное ММ ОВ и категория "b" – стойкое к изгибам ММ ОВ. В табл.2 требования к затуханию на изгибах приведены в последних строках снизу. К примеру, волокно ОМ3 сегодня может поступить некоему заказчику в современном "изгибостойком" варианте A1-OM3b (категория "b"), однако не исключено, что и в "старом" варианте A1-OM3а (категория "а") (рис.3).
Кстати, соответствующие различия в конструкциях современных ММ ОВ можно также проследить в многочисленной патентной базе последних 20 лет. Но на практике сегодня редкий пользователь знает (скорее всего – вообще не слышал) про "тонкости" относительно конструкций и чувствительности к изгибу различных ММ ОВ и не сможет самостоятельно определить эти различия вплоть до того момента, когда какой-нибудь шнур или соединительный кабель не окажется где-нибудь сильно зажатым или изогнутым в его кабельной сети. Соответственно, в случае каких-либо "подозрений" и проблем, можно рекомендовать обращаться за разъяснениями к соответствующему производителю ОВ или ОК и уделять большее внимание изучению спецификаций.
Пропускная способность ММ ОВ: что следует знать
Данная статья могла бы выйти в свет значительно раньше, чем это произошло по факту. Однако в процессе работы над ней авторы пришли к заключению, что применительно к ММ ОВ параметр bandwidth (и его русский перевод, дословно: "полоса пропускания") за последние два десятилетия почти полностью потерял свое техническое содержание и превратился едва ли не в коммерческий жаргон. На осознание этого факта ушло значительное время. Бесполезно анализировать, почему и как это произошло. Но имеющее место сегодняшнее искажение смысла "широкополосности" ММ ОВ уже настолько широко растиражировано во множестве документов (спецификациях и прочих источниках), что исправить положение представляется почти невозможным.
Если обратиться к упомянутой выше рекомендации МСЭ-Т от 2018 года [12] в качестве твердой основы для правильной терминологии, то технические требования к широкополосности ММ ОВ записаны там в виде требований к параметру, названному так: Modal bandwidth-length product for overfilled launch. Авторы предлагают следующий перевод: "Произведение модовой полосы пропускания на длину волокна для переполненного возбуждения".
Отметим, что одним из ключевых здесь, помимо собственно "полосы пропускания" и прочих деталей, является слово "произведение" (product)! Однако в "даташитах" ведущих производителей волокна мы уже нигде не увидим и намека на это ключевое слово. Обычно указано что-нибудь вроде modal bandwidth, overfilled modal bandwidth и т.п. Более заинтересованным специалистам рекомендуем заглянуть в соответствующие спецификации ММ ОВ на упомянутых выше сайтах [16−22].
Таким образом, первоначально более или менее стандартизированный параметр "произведение полосы пропускания на длину (волокна)" сегодня нам преподносится в форме не совсем корректных терминов "полоса пропускания", "коэффициент широкополосности" и т.д. Именно поэтому в табл.2 в данной статье мы указываем не "коэффициент широкополосности", но "произведение полосы пропускания на длину волокна" с учетом того или иного метода измерений. И это принципиально важно, но не только это. Возможно, нам удастся написать более подробную и развернутую статью (статьи) по рассматриваемому вопросу правильного понимания "широкополосности" ММ ОВ. При этом придется еще заняться и методами измерений [26, 27], где еще остается также весьма немало неоднозначностей и "белых пятен". А пока что, предварительно, помимо нашего намека на необходимость вернуться на истинный путь правильного понимания смысла характеристик широкополосности ММ ОВ, далее еще затронем и вопрос о правильной размерности параметров широкополосности.
Современный так называемый "коэффициент широкополосности" ММ ОВ (обозначим его как B) принято "линейно нормировать" относительно единицы длины волокна:
B= BLопт * L,
где BLопт – это фактически измеренная на катушке ОВ длиной L оптическая полоса пропускания ОВ, выражаемая в МГц (или в ГГц).
Длина ОВ на катушке у большинства производителей обычно равна 4,4–17,6 км, и на этой всей (а не на 1 км, как положено по нормативам!) длине производится измерение BL. С применением принятой сегодня практики такой "линейной нормализации" "коэффициента широкополосности", получим следующее. Если производитель определил, что полоса пропускания ММ ОВ в результате измерений (пока не важно, каким способом) на катушке длиной 10 км получилась, например, 500 МГц, то свой полученный таким образом "коэффициент широкополосности" он указывает как 500 МГц × 10 км = 5000 МГц × км, и относит волокно к категории ОМ4.
Однако конечный потребитель обычно имеет дело с волокном длиной в десятки-сотни метров в составе соединительного кабеля. Если предположить, что "линейная нормализация" правомочна (в чем есть определенные сомнения!), то в таком случае полоса пропускания этого ММ ОВ должна быть обратно пропорциональна длине волокна. Соответственно, истинная полоса пропускания волокна длиной 10 км (фактически измеренная) равна 500 МГц, при длине 1 км она, по принятому "линейному" расчету, ожидаемо должна быть 5 ГГц, а при длине 100 м, аналогичным образом, – 50 ГГц.
Однако есть немалые основания полагать, что подобная "линейная нормализация" не основана на доказанных физических принципах. Имеется достаточно публикаций о том, что уширение оптического импульса в ММ ОВ за счет межмодовой дисперсии ведет себя не как линейная функция, а как корень квадратный от расстояния. Это происходит после некоторого так называемого состояния "установившегося равновесия мод", которое зависит от целого множества других физических факторов, и в которые уже мы не имеем возможности углубляться в пределах объема данной статьи. Но общий результат, весьма вероятно, будет таков, что декларируемая пропускная способность (в смысле произведения полосы пропускания на длину волокна) ММ ОВ длиной порядка 0,1−1 км окажется значительно меньшей, чем в более длинном ОВ в несколько километров.
Ограничив вышесказанными рассуждениями наше отношение к распространенному пониманию "коэффициента широкополосности" ММ ОВ, надеемся еще вернуться к данному вопросу с значительно бόльшими подробностями в будущих публикациях. А пока отметим, что сделать однозначный вывод о том, что некое конкретное ММ ОВ соответствует своей заявленной категории ОМ3−ОМ5, без специальных измерений обычному потребителю практически невозможно. Чтобы измерить "истинную широкополосность" (да и ряд других параметров, даже коэффициент затухания с приемлемой точностью) ММ ОВ на коротких длинах его физической длины (менее 1 км ), приходится иметь дело с десятыми , а то и сотыми долями нс, дБ и пр. Соответствующее измерительное оборудование весьма уникально и дорого, а надежных и утвержденных методик измерений пока не существует. Хотя формально можно "поверить на слово" изготовителю. По признаку "широкополосности" внешнюю оболочку соединительных многомодовых кабелей обычно окрашивают в следующие цвета: одномодовое ОВ – желтый, ОМ1 – серый, ОМ2 – оранжевый, ОМ3 – бирюзовый, ОМ4 – сиреневый, ОМ5 – салатовый. Но не все кабельные заводы строго придерживаются именно такой окраски ОК.
К практике применения ММ ОВ: дальнейшие перспективы
Ранее мы упоминали, что у телекоммуникационного ММ ОВ имеется много конкурентов даже в его традиционных областях применения, где расстояние передачи не превышает сотен метров. Но если ограничить область конкуренции только оптическим волокном, то в качестве альтернативы "многомоду" остается только ОМ ОВ. С учетом того, что "одномод" дешевле, а активное одномодовое оборудование также дешевеет, можно ли предположить, что ММ ОВ когда-нибудь вообще уйдет со сцены (хотя на отечественную сцену, за исключением ОК для спецприменений, оно особо еще и не приходило)? На наш взгляд, этого не произойдет, так как, как говорилось в начале статьи, эра волоконной оптики только начинается, и найдется место всем решениям.
В пользу перспектив применения телекоммуникационных ММ ОВ, и сегодняшних стандартных, и будущих конструкций, можно привести следующие аргументы:
- развитость мирового рынка ММ ОВ, где оно было и остается востребованным;
- экономически более выгодные решения в ряде применений в интегрированных системах в составе СКС, ЦОД и пр. в силу того, что многомодовые оптические соединения менее критичны к точности исполнения коннекторов, соответственно, более дешевы;
- активное оборудование (трансиверы, модули и пр.) для многомодовых систем, как правило, значительно дешевле, чем для одномодовых, кроме того, потребляет меньшую мощность электропитания, что важно для современных крупных ЦОД;
- многомодовые стандартные коннекторы 50/125 менее чувствительны к загрязнениям торцов при многократной перекоммутации, что положительно сказывается на надежности сетей и стоимости их обслуживания;
- оптическая область рабочих длин волн для ММ ОВ еще далеко не вся освоена, появление категории ОМ5 для SWDM – это возможно только начало процесса и нет технических препятствий для освоения более полного диапазона длин волн, включая ближнюю ультрафиолетовую область, видимый оптический диапазон и др.;
- дальнейшее развитие и стандартизация технологий волоконно-оптической связи для скоростей передачи 10/25/40/100/400 Gigabit Ethernet и т.д.;
- все более широкое применение ММ ОВ в целом ряде отраслей, помимо телекоммуникационной (распределенные системы датчиков, автомобильная, аэрокосмическая отрасли, энергетика и многое другое);
- перспективы развития техники и практики освоения сегодняшних многомодовых решений при создании новых поколений ММ ОВ с несколькими сердцевинами в высокоемких телекоммуникационных локальных системах с бόльшей пространственной плотностью каналов передачи (квантовые компьютеры и пр.), а также аналогичных полимерных ММ ОВ;
- показана возможность (в лабораторных условиях) передачи с общей пропускной способностью 1 Пбит/с в режиме модового мультиплексирования по ММ ОВ с одной сердцевиной при модовом мультиплексировании 15 мод [28].
Заключение
Кратко рассмотрены основные оптические и передаточные характеристики современных градиентных типов ММ ОВ типоразмера 50/125 мкм, категорий ОМ1−ОМ5, широко применяемых в локальных телекоммуникационных сетях во всем мире. Российские масштабы производства и применения подобных ОВ пока незначительны, хотя потенциал рынка и возможный технико-экономический эффект от более широкого внедрения ММ ОВ нам представляются сегодня очень недооцененными.
Важно уделить внимание вопросу контроля качества и уровня характеристик ММ ОВ. Соответствие его мировому уровню по комплексу характеристик, обеспечение качества и надежности предполагает стабильные технологии производства, аттестованные методики испытаний, наличие соответствующего контрольно-измерительного оборудования.
Терминология, методы определения "параметров широкополосности", их корректность, предельно достижимые характеристики локальных кабельных сетей с применением ММ ОВ требуют переосмысления и написания, по-видимому, нескольких отдельных статей по этим вопросам.
ЛИТЕРАТУРА
Микилев А. Оптические волокна стандартной группы: эволюция и перспективы // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2015. № 6. С. 34−39.
Микилев А. ОВ для наземных ВОСП со сверхнизким затуханием и увеличенной эффективной площадью // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2017. № 3. С. 14−18.
Микилев А., Павлычев М. Оптические волокна класса ULL: характеристики и вопросы применения // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2021. № 8. С. 18−25.
Боев М.А., Ким Э., Микилев А.И. Вопросы конструирования оптических кабелей для применения в терабитных системах передачи // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. № 8. С. 52−56.
Бурдин А.В. Многомодовые оптические волокна в современной кабельной инфраструктуре российских инфокоммуникационных сетей // Электросвязь. 2010. № 4. С. 24−27.
Камино Дж. Стандарты внутри объектового многомодового волокна: что нового? // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2019. № 3. С. 42−47.
Мендез А., Морзе Т.Ф. Справочник по специализированным оптическим волокнам / Под ред. Пестрецовой К.А. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2012. 728 c.
https://rusfiber.ru/
https://pnppk.ru/optich
Многомодовое оптическое волокно с градиентным профилем показателя преломления [Электронный ресурс]. URL: http://goi.ru/production/fiber/mm/grad (дата обращения 15.10.2024).
IEC 60793-2-10 (2019)
Рекомендации МСЭ-Т G.651.1 (2018)
ISO/IEC 11801-1:2017.
ГОСТ Р МЭК 60793-2-10.
ГОСТ Р 52266-2020.
https://www.corning.com
https://ru.prysmiangroup.com
https://www.ofsoptics.com
https://www.fujikura.co.jp
https://global-sei.com
https://en.fiberhome.com
https://en.yofc.com/
Леко В.К., Мазурин О.В. Свойства кварцевого стекла. Л.: Наука, 1985.
Второе дыхание многомода. [Электронный ресурс]. URL: https://habr.com/ru/companies/comptek/articles/350098/ (дата обращения 15.10.2024).
Семенов А. Многомодовое волокно с улучшенными частотными свойствами // Журнал сетевых решений LAN. 2013. № 2.
IEC 60793-1-41. Optical fibres Part 1-41. Measurement methods and test procedures Bandwidth.
IEC 60793-1-49. Optical fibres Part 1-49: Measurement methods and test procedures Differential mode delay
World’s First Successful Transmission of 1 Petabit per Second Using a Single-core Multimode Optical Fiber [Электронный ресурс]. URL: https://www.nict.go.jp/en/press/2020/12/18-1.html (дата обращения 15.10.2024).
Отзывы читателей
