Одномодовое и многомодовое оптоволокно: ключевые отличия кабелей

Содержание:

• Введение
• Мода оптоволокна
• Определения
• Диаметр жилы
• Длина волны и источник света
• Скорость передачи данных
• Расстояние
• Цена прокладки
• Цена оптических модулей
• Суммарная цена всей системы
• Сферы использования
• Заключение

Введение

С ростом спроса на высокоскоростные сетевые подключения и увеличением объема передаваемых данных, оптические кабели становятся все более востребованными. Наибольшую популярность приобретают одномодовые (SMF) и многомодовые (MMF) волокна. Оба варианта находят широкое применение, однако выбор между ними зачастую неочевиден. Разобраться в этом поможет анализ их конструкции, эффективной дальности, цены и маркировки. Мы рассмотрим эти параметры, чтобы выделить ключевые различия и сходства между одномодовым и многомодовым волокном.

Мода оптоволокна

Мода представляет собой основной элемент светового луча, перемещающегося внутри волокна. Каждая мода — это решение уравнений Максвелла, объясняющих, как распространяется световой поток в волокне. Если максимально упростить это определение, моду можно представить как несколько прямых лучей, формирующих конусообразную форму. На схемах поперечного сечения волокна моды выглядят как лучи, проходящие под определенными углами к оси волокна. Световой луч, движущийся вдоль оси, называется основной модой, а прочие — боковыми.

Параметры волокна, такие как диаметр жилы и параметр преломления жилы и оболочки, влияют на то, может ли свет передаваться в одной или нескольких модах. В одномодовом волокне (SFM) распространяется одна мода, что минимизирует затухание сигнала. В многомодовом волокне (MMF), особенно с резкими переходами показателя преломления, могут возникать потери сигнала ввиду различий в путях, по которым проходят моды. Это явление называется межмодовой дисперсией и является одним из ключевых факторов, отличающих SMF и MMF.

Для уменьшения межмодовой дисперсии в многомодовых волокнах разрабатываются кабели с градиентным профилем преломления, где коэффициент преломления постепенно изменяется от середины жилы к ее краям. Это помогает сократить искажения и улучшить качество сигнала. Однако такие кабели, независимо от улучшенных характеристик, стоят дороже, чем обычные многомодовые кабели со ступенчатым профилем.

Определения

Многомодовое волокно (MultiMode Fiber, MMF) — вид оптоволокна с широким диаметром жилы. MMF передает несколько лучей одновременно, что обеспечивается действием эффекта полного внутреннего отражения.

Одномодовое волокно (SingleMode Fiber, SMF) — отличается меньшим размером жилы, диаметр которой в 7-10 раз превышает длину волны передаваемого света.

Диаметр жилы

Главное отличие между SMF и MMF — это диаметре их жил. У MMF он равен от 50 мкм до 62,5 мкм. С помощью такой внушительной ширины можно передавать несколько мод за один цикл, однако, из-за этого возрастает шанс дисперсии от стенок жилы, из-за чего затухает сигнал. Одномодовое волокно имеет жилу диаметром до 10 мкм, что значительно снижает шанс отражения сигнала, поэтому сигнал можно отправлять на гораздо большую дистанцию сохраняя минимальный показатель потерь.

Длина волны и источник света

У MMF имеется жила с широким диаметром, благодаря чему в нем применяются более дешевые источники светового луча, например, простые светодиоды и лазеры с вертикальным излучением. Эти источники функционируют на длинах волн 850 нм и 1310 нм, обеспечивая оптимальную пропускную способность на небольших дистанциях.

В SMF используются мощные лазеры или лазерные диоды, функционирующие на длинах волн 1310 нм и 1550 нм. Благодаря этому SMF может отправлять сигналы на гораздо большую дальность с низким шансом потери сигнала.

Скорость передачи данных

Пропускная способность многомодового волокна ограничивается количеством мод света, проходящих через жилу. Наибольшая допустимая ширина полосы у многомодового волокна достигает 28 000 МГц*км для волокна OM5. В SMF, ввиду передачи одного светового режима за цикл, скорость передачи практически не ограничена, поэтому SMF является предпочтительными для высокоскоростных и удаленных сетей.

Расстояние

Одномодовое волокно хорошо себя показывает при передаче данных на длинных дистанциях, а MMF более эффективно на небольших дистанциях. Рассмотрим примерную эффективную дальность для каждого типа волокна:

	MMF					SMF
Стандарт передачи данных	OM1	OM2	OM3	OM4	OM5	OS1	OS2
Fast Ethernet 100BASE-FX	200 м	200 м	200 м	200 м	200 м	200 м	200 м
1Gb Ethernet 1000BASE-SX	275 м	550 м	550 м	550 м	550 м	550 м	5 км
1Gb Ethernet 1000BASE-LX	550 м	550 м	550 м	550 м	550 м	550 м	5 км
10GBASE SR	–	–	300 м	400 м	300м	2 км	10 км
40GBASE SR4	–	–	100 м	150 м	400 м	2 км	10 км
100GBASE SR10	–	–	100 м	150 м	400 м	2 км	10 км

Четко прослеживается, эффективная длина передачи сигнала SMF гораздо выше чем у MMF, особенно при пропускной способности от 1G до 10G. Но важно отметить, что MMF серий OM3, OM4 и OM5 на небольших расстояниях имеют более высокую пропускную способность, чем у одномодового волокна. Серии OM3, OM4 и OM5 можно встретить в локальных вычислительных сетях и структурированных кабельных систем (СКС) на небольших объектах с дистанцией до 500 м. SMF, напротив, показывают себя очень эффективно при подключении объектов на больших дистанциях, например, кварталов или даже городов, расстояние между которыми достигает свыше 1 километра. Основное отличие между OS1 и OS2 заключается в характеристиках затухания: OS1 обычно используется для более коротких внешних или внутренних соединений, а OS2 — для более длинных магистралей.

Цена прокладки

Ценники этих двух типов оптоволокна часто становится темой обсуждения в профессиональных сообществах. Окончательный выбор между MMF и SMF зависит от нескольких факторов, включая цену оптических модулей, затраты на их интеграцию и закупку дополнительных периферийных устройств.

Цена оптических модулей

В среднем многомодовые оптические модули оказываются гораздо бюджетнее одномодовых, иногда разница может составлять в 2 или 3 раза. Ниже представлена таблица с примерами ценников одномодовых и многомодовых модулей:

Пропускная способность	Тип модуля	Описание оптического модуля	Цена
10G	SFP+ SM	Cisco SFP-10G-LR Совместимый 10GBASE-LR SFP+ 1310nm 10km DOM	~3800 р
10G	SFP+ MM	Cisco SFP-10G-SR Совместимый 1000BASE-SR SFP+ 850nm 550m DOM	~2760 р
40G	QSFP+ SM	Cisco QSFP-40G-LR4 Совместимый 40GBASE-LR4 и OTU3 QSFP+ 1310nm LC 10km DOM	~42700 р
40G	QSFP+ MM	Cisco 40GBASE-SR4 Совместимый QSFP-40G-SR4 QSFP+ 850nm 150m MTP/MPO DOM	~5400 р
100G	QSFP28 SM	QSFP28 Cisco QSFP-100G-LR4-S Совместимый 100GBASE-LR4 1310nm 10km	~68900 р
100G	QSFP28 MM	QSFP28 Cisco QSFP-100G-SR4-S Совместимый 100GBASE-SR4 850nm 100m DOM	~13700 р

Статистика наглядно показывает, что прирост пропускной способности напрямую влияет на цену SMF — она значительно увеличивается, в частности, для высокоскоростных соединений, например 40G и 100G.

Суммарная цена всей системы

Так как SMF нужны для передачи сигнала на большие дистанции, для них требуются лазеры с большей длиной волны и узким спектром. Такие параметры трансиверов, потребность в точном выравнивании и надежных портов из-за малого диаметра жилы, делают стоимость одномодовых оптических соединений значительно выше.

Лазеры с вертикальным излучением для MMF упрощают интеграцию таких кабелей в крупные инфраструктуры и стоят бюджетнее, чем SMF трансиверы. Однако, хоть многомодовые системы могут требовать нескольких волокон и трансиверов, итоговый ценник многомодовых решений зачастую ниже благодаря их оптимизации для эксплуатации до 500 метров.

Сферы использования

Одномодовые и многомодовые волокна могут иметь разнообразные сферы применения, поэтому выбор между ними зависит от особенностей и потребностей сетевой инфраструктуры.

SMF используется для:

• Линий связи длиной более 500 м;
• Связей между городами и операторами сотовой связи;
• Подключения телекоммуникационных сетей через один кабель;
• Кабелей, пролегающих под водой;
• Дата-центров и университетов.

MMF подходит для:

• Соединений внутри зданий на небольшие расстояния;
• Соединений между инфраструктурными сооружениями до 550 м;
• Горизонтальных сегментов СКС и систем FTTD;
• Дата-центров в дополнение к одномодовым системам.
• Межсоединения в кластерах.

Заключение

Одномодовое оптоволокно — оптимальный вариант для передачи сигнала на большие дистанции, который находит широкое применение в таких сферах, как прокладка магистральных сетей и в большие коммерческие инфраструктуры. В свою очередь, многомодовое оптоволокно применяются в ЛВС и внутри зданий, поскольку небольшая эффективная дистанция компенсируется большей пропускной способностью кабеля. Однако, при выборе моды оптоволоконных кабелей нужно ориентироваться не только на их характеристики, а именно на требования вашей сетевой инфраструктуры, а также максимально допустимый бюджет, который вы готовы потратить на закупку кабелей.