Многомодовое волокно: OM1, OM2, OM3, OM4

Скорость передачи и пропускная способность многомодовых оптических волокон

Когда геометрический размер волокна (в основном диаметр сердцевины d1) много больше длины волны света (около 1 мкм), в волокне будут десятки, а то и сотни мод распространения. Различные режимы распространения будут иметь разные скорости и фазы распространения, поэтому после передачи на большие расстояния будут возникать временные задержки, что приводит к более широким оптическим импульсам. Это явление называется модовой дисперсией оптического волокна, также известной как интермодальная дисперсия.

В параметрах многомодового волокна будет параметр пропускная способность (пропускная способность канала), единица измерения - МГц·км, а иногда спрашивают, достигает ли скорость передачи многомодового волокна 200 Мбит/с? Как понять отношения между ними?

Давайте сначала разберемся с пропускной способностью многомодового волокна.

Обычно информационная емкость многомодового волокна измеряется произведением ширины полосы пропускания на длину. Почему единица измерения не МГц, а МГц·км? Прежде всего, мы должны понимать характеристики многомодового волокна: дополнительная групповая задержка, межмодовая дисперсия, материальная дисперсия, волноводная дисперсия и т. д. в процессе передачи оптических волноводных сигналов в многомодовом оптоволокне приводили к искажению сигнала. Среди них интермодальная дисперсия является решающим фактором для пропускной способности. Дисперсия материала и дисперсия волновода обычно незначительна в многомодовом волокне, но они существенно влияют на одномодовое волокно.

Вышеупомянутые факторы приводят к тому, что длина передачи сигнала оптического волновода обратно пропорциональна ширине полосы, когда сигнал передается по многомодовому волокну. Как правило, чем больше длина передачи, тем меньше ширина полосы пропускания. Единица МГц·км предназначена для описания пропускной способности, которую многомодовое волокно может передавать в пределах 1 км (при условии, что сигнал не прерывается). Длина волокна является знаковым физическим параметром. Как только расстояние определено, диапазон выбора волокна может быть сужен в соответствии с текущими или будущими требованиями пользователя к полосе пропускания. Таким образом, бессмысленно просто говорить реальную полосу пропускания многомодового волокна, и длину необходимо добавить, чтобы сигнал не пропадал, поэтому единицей измерения становится МГц·км. Например, если полоса пропускания составляет 600 МГц·км, ее пропускная способность составляет всего 300 мегапикселей на расстоянии 2 км. Для многомодового волокна со ступенчатым показателем преломления влияние различных факторов делает его произведение полосы пропускания на длину ограниченным значением 20 МГц·км; для волокна с градиентным показателем преломления произведение полосы пропускания на длину может достигать 2.5 ГГц·км; а для одномодового волокна из-за таких факторов, как малая дисперсия и узкая ширина спектра источника света, можно считать, что его полоса пропускания бесконечна. Исследования показали, что для короткой длины волны 0.85 мкм, при среднеквадратической ширине спектра источника света 20 нм, общая ширина полосы световода в лучшем случае составляет всего 1 ГГц·км; Для длины волны 1.30 мкм, если индекс профиля хорошо контролируется, максимальная ширина полосы может превышать 10 ГГц·км.

(Примечания: на данный момент среднеквадратическая ширина спектра светодиода (светоизлучающего диода) составляет около 5% от центральной длины волны. Например, если предположить, что пиковая длина волны излучения светодиода составляет 850 нм, его типичная ширина спектра должна быть 40нм, то есть большая часть мощности излучаемого света концентрируется в диапазоне длин волн 830~870нм.Спектральная ширина источника света LD (полупроводниковый лазер) значительно уже, среди которых типичная спектральная ширина многомодового LD составляет 1~ 2 нм, в то время как типичная ширина спектра одномодового ЛД составляет всего 0.0001 нм.)

Скорость передачи многомодовое волокно зависит от пропускной способности многомодового волокна. Прежде всего, скорость передачи данных (также известная как кодовая скорость, скорость передачи данных или полоса пропускания данных) описывает количество битов кода данных, передаваемых в секунду при связи. Единицей является бит/секунда, которую можно записать как бит/с=б/с=бит/с. Связь между пропускной способностью канала и скоростью передачи данных может быть описана критерием Найквиста и законом Шеннона.

Критерий Найквиста указывает, что если временной интервал равен π/ω (ω=2πf–>2f=w/π), а узкоимпульсный сигнал передается по идеальному каналу связи, то не будет взаимных помех между предшествующим и следующие символы. Следовательно, зависимость между максимальной скоростью передачи данных Rmax (в бит/с) двоичных сигналов данных и шириной полосы канала связи B (B=f, в Гц) может быть записана как: Rmax=2f. Для двоичных данных, если полоса пропускания канала B=f=200 МГц, максимальная скорость передачи данных составляет 400 Мбит/с, и скорость может быть увеличена в N раз в многомерной системе. Теорема Найквиста описывает взаимосвязь между максимальной скоростью передачи данных в бесшумном канале с ограниченной полосой пропускания и пропускной способностью канала.

Теорема Шеннона описывает взаимосвязь между максимальной скоростью передачи канала с ограниченной полосой пропускания и случайным тепловым шумом, полосой пропускания канала и отношением сигнал/шум. Теорема Шеннона указывает, что при передаче сигналов данных по каналу со случайным тепловым шумом соотношение между скоростью передачи данных Rmax, шириной полосы канала B и отношением сигнал/шум S/N будет следующим: Rmax=B log2(1+ S/N), единицей Rmax является бит/с, единицей ширины полосы B является Гц, а отношение сигнал/шум S/N обычно выражается в дБ (децибелах). Если S/N=30(dB), то отношение сигнал/шум можно получить по формуле: S/N(dB)=10·lg(S/N), S/N=1000. Если полоса пропускания B=3000Гц, то Rmax≈30кбит/с.

Закон Шеннона устанавливает ограничение на максимальную скорость передачи данных для конечной полосы пропускания канала с тепловыми шумами. Это означает, что для канала связи с полосой пропускания всего 3000 Гц, когда отношение сигнал/шум составляет 30 дБ, независимо от того, выражены ли данные в двоичных или более дискретных значениях уровня, данные не могут передаваться со скоростью, превышающей 30 кбит/с.

«OM» означает «оптический многомодовый», стандарт для многомодового волокна для обозначения уровня волокна. Полоса пропускания и максимальное расстояние для разных уровней передачи различаются, и различия анализируются с учетом следующих аспектов.

Сравнение параметров и характеристик оптических волокон OM1, OM2, OM3 и OM4

1. OM1 относится к многомодовому волокну с диаметром сердцевины 50 мкм или 62.5 мкм и полной полосой пропускания 850/1300 нм и выше 200/500 МГц·км;
2. OM2 относится к многомодовому оптическому волокну с диаметром сердцевины 50 мкм или 62.5 мкм и полной полосой пропускания 850/1300 нм и выше 500/500 МГц·км;
3. OM3 представляет собой многомодовое волокно с диаметром сердцевины 50 мкм, оптимизированное для лазера с длиной волны 850 нм. В Ethernet 10 Гбит/с с использованием VCSEL 850 нм дальность передачи по оптоволокну может достигать 300 м.
4. OM4 — это модернизированная версия многомодового оптического волокна OM3, а дальность передачи по оптическому волокну может достигать 550 м.

Сравнение параметров и характеристик оптических волокон OM1, OM2, OM3 и OM4

Тип	Диаметр волокна (мкм)	Тип оптического волокна	1 гигабит Ethernet 1000BASE-SX	1 гигабит Ethernet 1000BASE-LX	10 Гбит/с Ethernet 10GBASE	Ethernet 40 Гбит/с 40ГБАСЭ СР4	Ethernet 100 Гбит/с 100ГБАСЭ СР4
OM1	62.5/125	многорежимный	275m	550m	33m	не поддерживается	не поддерживается
OM2	50/125	многорежимный	550m	550m	82m	не поддерживается	не поддерживается
OM3 (оптимизированный для лазера)	50/125	многорежимный	550m	550m	300m	100 м (СР4)	100 м (СР4)
OM4 (оптимизированный для лазера)	50/125	многорежимный	550m	550m	400m	150 м (СР4)	150 м (СР4)
Одиночный режим	9/125	одиночный режим	5 км при 1310 нм	5 км при 1310 нм		Нет

Сравнение конструкций волокон OM1, OM2, OM3 и OM4

1. Традиционный OM1 и Многомодовые волокна OM2 использовать светодиод (светоизлучающий диод) в качестве основного источника света с точки зрения стандарта и дизайна, в то время как OM3 и OM4 оптимизированы на основе OM2, что делает их пригодными для передачи с LD (лазерным диодом) в качестве источника света;
2. По сравнению с OM1 и OM2, OM3 имеет более высокую скорость передачи и пропускную способность, поэтому его называют оптимизированным многомодовым волокном или многомодовым волокном 10G;
3. OM4 повторно оптимизирован на основе OM3 с лучшей производительностью.

Сравнение функций и характеристик оптических волокон OM1, OM2, OM3 и OM4

1. OM1: большой диаметр сердечника и числовая апертура, высокая светосила и устойчивость к изгибам.
2. OM2: диаметр сердцевины и числовая апертура относительно малы, что эффективно снижает модовую дисперсию многомодового волокна, значительно увеличивает пропускную способность и снижает стоимость производства на 1/3.
3. OM3: Использование огнестойкой внешней оболочки может предотвратить распространение пламени, предотвратить выброс дыма, кислотных и ядовитых газов и т. д., а также обеспечить скорость передачи данных 10 Гбит/с.
4. OM4: разработан для лазерной передачи VSCEL, эффективная полоса пропускания более чем в два раза больше, чем у OM3.

Сравнение применения оптических волокон OM1, OM2, OM3 и OM4

1. OM1 и OM2 уже много лет широко используются в строительных приложениях, поддерживая передачу Ethernet с максимальной скоростью 1 Гбит/с.
2. Оптические кабели OM3 и OM4 обычно используются в проводной среде центра обработки данных, поддерживая передачу 10G или даже 40/100G высокоскоростного Ethernet.

Диаметры волокон om1, om2, om3 и om4

Когда использовать оптоволоконную перемычку OM3?

Оптическое волокно OM3 это оптическое волокно, предназначенное для работы с VCSEL, соответствует спецификации оптического волокна OM-3 стандарта ISO/IEC11801-2nd и отвечает требованиям приложений 10 Gigabit Ethernet. Существует много типов оптического волокна OM3, в том числе для использования внутри помещений, для использования внутри и вне помещений и т. д., а количество жил оптического волокна варьируется от 4 до 48 жил. Кроме того, поддерживаются все приложения, основанные на старом многомодовом волокне 50/125, включая светодиодные источники света и лазерные источники света.

1. Дальность передачи Gigabit Ethernet с использованием оптоволоконной системы OM3 может быть увеличена до 900 метров, что означает, что пользователям не нужно использовать дорогостоящие лазерные устройства, когда расстояние между зданиями превышает 550 метров.
2. На расстоянии 2000 метров стандартное многомодовое волокно 62.5/125 мкм можно использовать в различных ситуациях в диапазоне скоростей OC-12 (622 Мбит/с), в остальных случаях будет использоваться одномодовое волокно. Однако появление многомодового волокна OM3 изменило эту ситуацию. Поскольку оптоволокно OM3 может увеличить дальность передачи гигабитных и 10-гигабитных систем, использование оптических модулей с длиной волны 850 нм и VCSEL будет наиболее экономичным решением для проводки.
3. Когда длина линии связи превышает 1000 метров, одномодовое волокно в настоящее время остается единственным выбором. Одномодовое волокно может обеспечить дальность передачи 5 километров при длине волны 1310 нм в гигабитной системе и дальность передачи 10 километров в 10-гигабитной системе.
4. Когда длина канала меньше или равна 1000 метров, в гигабитной системе можно использовать многомодовое волокно OM3 50 мкм, а в 10-гигабитной системе следует использовать одномодовое волокно.
5. При длине линии менее 300 метров многомодовое волокно OM3 можно использовать в любых гигабитных и 10-гигабитных системах.

Когда использовать оптоволоконную перемычку OM4?

Для типичной связи стоимость оптического модуля очень высока. Хотя стоимость одномодового волокна дешевле многомодового волокна, для одномодового волокна требуется очень дорогой оптический модуль 1300 нм, стоимость которого примерно в 2-3 раза выше, чем у многомодового оптического модуля 850 нм. В целом, стоимость многомодовой оптоволоконной системы намного ниже, чем у одномодовой оптоволоконной системы.

При инвестировании в оптоволоконные кабели, если мы рассмотрим увеличение первоначальных инвестиций в некоторые кабели и внедрение более качественных многомодовых волокон, таких как волокно OM4, мы можем гарантировать, что текущая многомодовая оптоволоконная технология может быть полностью использована, и снизить общую стоимость существующей системы; Когда систему необходимо обновить до системы с более высокой скоростью, такой как 40G и 100G, можно использовать OM4, что сэкономит больше средств.

Одним словом, когда скорость передачи превышает 1 Гбит/с, хорошим выбором для системы является использование многомодового оптоволокна. Когда системе требуется более высокая скорость передачи, мы рекомендуем следующие рекомендации по выбору волокна OM4:

1. Для пользователей Ethernet при передаче по системе 10 Гбит/с дальность передачи может достигать 300–600 м; В системах 40 Гбит/с и 100 Гбит/с дальность передачи составляет от 100 до 125 м.
2. Для пользователей кампусной сети оптоволокно OM4 будет поддерживать оптоволоконную линию 4 Гбит/с длиной 400 м, 8 Гбит/с длиной 200 м или 16 Гбит/с длиной 130 м.

Обзор

Технология многомодового оптоволокна была усовершенствована от многомодового OM1 до OM4, который теперь поддерживает скорость 10 Гбит/с, что позволит пользователям получить максимальную отдачу от инвестиций и станет лучшим выбором для прокладки магистральных кабелей или оптоволокна до настольных компьютеров.