Багатомодове й одномодове волокно: OM1

Ілюстрація, створена ШІ — приклад обстановки.

Коротко: надійна оптична лінія потребує сумісних волокна, модулів і рознімів, а також виміряного каналу. Довідник пояснює класи, дальність, бюджет втрат і перевірку траси.

Вступ: оптичні мережі коротко

Оптичні мережі передають інформацію світловими сигналами скляними волокнами. Передавач перетворює електричний сигнал на оптичний, приймач — навпаки. Тракт містить волокно, розніми та з’єднання; у PON також є пасивні розгалужувачі. Скло не проводить струм, а оптичне передавання несприйнятливе до електромагнітних завад. Водночас кабель може мати металеву броню чи силові елементи, а активна електроніка потребує електробезпеки та електромагнітної сумісності.

Серцевина й оболонка з різними показниками заломлення утворюють оптичний хвилевід. Повне внутрішнє відбиття — корисна променева модель; моди описують допустимі розподіли поля, яке не обмежене строго геометричною серцевиною. Числова апертура NA = n₀ sin θ; лише в повітрі, де n₀ приблизно 1, вона приблизно дорівнює sin θ. Забруднення й неспіввісність збільшують втрати та відбиття.

У 1966 році Чарльз Као й Джордж Хокем опублікували основоположну роботу про скляні волокна з малими втратами. У 1970 році продемонстровано волокно з втратами менш ніж 20 дБ/км. У 2009 році Као отримав Нобелівську премію за внесок в оптичний зв’язок. Сучасні телекомунікаційні волокна можуть мати згасання близько 0,2 дБ/км при 1550 нм, але для реальної лінії беруть специфікацію конкретного кабелю.

Застосування охоплюють міські й магістральні мережі, будівлі, центри обробки даних, абонентський доступ та вимірювальні системи. Велика пропускна здатність не скасовує обмежень через згасання, дисперсію, вигини та стан рознімів.

Позначення FTTx

Позначення	Куди доходить волокно	Остання ділянка
FTTH	До житла	Оптична до абонентського термінала
FTTB	До будівлі	Внутрішній розподіл може бути мідним
FTTC	До вуличної шафи біля абонентів	Зазвичай мідна
FTTN	До вузла в районі	Неоптична ділянка до абонента
FTTP	До приміщень абонента; загальний термін для FTTH/FTTB залежно від контексту	Потрібно уточнити архітектуру
FTTD	До робочого місця (desktop)	Оптична до робочого місця

Пасивні оптичні мережі (PON)

У PON операторський OLT обслуговує кілька абонентських пристроїв через пасивну оптичну розподільну мережу ODN. ONU — загальна назва абонентського оптичного пристрою; ONT — термінал у кінцевого користувача, зокрема в організації. Пасивні розгалужувачі не потребують живлення, але OLT та ONT/ONU — активні пристрої. Місткість порту спільна й не є гарантованою швидкістю кожному абоненту.

PON	Типова спільна швидкість: униз / угору
GPON (G.984)	2.48832 / 1.24416 Gbit/s
EPON (802.3ah)	1 / 1 Gbit/s
XG-PON (G.987)	9.95328 / 2.48832 Gbit/s
XGS-PON (G.9807.1)	9.95328 / 9.95328 Gbit/s
NG-PON2 (G.989)	40 / 10 Gbit/s (TWDM, сумарно номінально)

Для GPON типові 1490 нм униз і 1310 нм угору. Клас B+ допускає до 28 дБ втрат в ODN, але це не означає автоматично 20 км за поділу 1:32. Перевіряють усі розгалужувачі, з’єднання, волокно, запас, мінімальні та максимальні оптичні рівні й обмеження відстані.

Основні поняття

Поняття	Значення
dB / dBm	Логарифмічне відношення потужностей: втрата 3 дБ — приблизно половина потужності. дБм — абсолютна потужність відносно 1 мВт.
Згасання	Втрати на одиницю довжини, зазвичай дБ/км за визначеної довжини хвилі.
Внесені втрати	Зменшення потужності, внесене компонентом або всім каналом.
Return loss / reflectance	Return loss зазвичай додатний у дБ: більше — краще. Reflectance зазвичай від’ємний: більш від’ємне значення означає менше відбиття.
Дисперсія	Розширення імпульсів; обмежує поєднання швидкості й відстані.
Смуга пропускання	Модова смуга в МГц·км; не дорівнює безпосередньо швидкості передавання в Гбіт/с.
Мода	Допустимий просторовий розподіл поля у хвилеводі.
Бюджет втрат	Допустимі втрати для конкретного застосування, а не довільний експлуатаційний запас.

1. Основні відмінності

Для розглянутої кабельної системи багатомодове волокно має розмір 62,5/125 мкм для OM1 та 50/125 мкм для OM2–OM5. Перше число — діаметр серцевини, друге — скляної оболонки. «9/125» — практичне позначення одномодового волокна, а не універсальний точний розмір. Діаметр модового поля MFD — окремий параметр, залежний від довжини хвилі, який не обов’язково дорівнює діаметру серцевини.

Параметр	Багатомодове (MM)	Одномодове (SM)
Серцевина	OM1: 62.5 µm; OM2–OM5: 50 µm	~9 µm; MFD ≠ core
Оболонка	125 мкм	125 мкм
Поширення	багато мод (шляхів світла)	одна мода
Довжини хвиль	850 нм (і 953 нм для OM5), 1300 нм	1310 нм і 1550 нм
Передавач	LED або VCSEL-лазер (850 нм), 1300 нм	лазер (Fabry-Pérot, DFB та ін.)
Обмеження відстані	модова дисперсія	хроматична та поляризаційна модова дисперсія, згасання
Типове застосування	будівля, кампус, центр обробки даних	між будівлями, міські та магістральні траси
Колір оболонки (TIA-598)	помаранчевий (OM1, OM2), аква (OM3, OM4), лайм (OM5)	жовтий

Багатомодові лінії зазвичай працюють на 850 або близько 1300 нм. Одномодові широко використовують 1310 і 1550 нм, а PON та інші системи — також інші діапазони. OM5 призначене для широкосмугової багатомодової роботи в області 850–953 нм. Міжмодова дисперсія розширює імпульси в багатомодовому волокні. В одномодовому її немає, але залишаються хроматична й поляризаційна модова дисперсії. Вибір визначає застосування, а не лише відстань.

2. Багатомодове волокно: класи OM1–OM5

OM1 і OM2 — застарілі класи. Для нового багатомодового кабелювання зазвичай розглядають OM3, OM4 або OM5 за вимогами застосування. OFL — смуга за переповненого введення, EMB — ефективна модова смуга за умов лазерного збудження. Ці показники не можна підміняти один одним.

OM	µm	OFL 850 nm	EMB 850 nm
OM1	62.5/125	200	—
OM2	50/125	500	—
OM3	50/125	1500	2000
OM4	50/125	3500	4700
OM5	50/125	3500	4700

Усі значення смуги в таблиці наведено в МГц·км. OFL при 1300 нм дорівнює 500 для всіх п’яти класів. У OM5 OFL при 953 нм становить 1850, EMB — 2470. OM5 не збільшує автоматично дальність стандартної однохвильової лінії 850 нм порівняно з OM4; перевага стосується сумісних багатохвильових рішень. Колір — орієнтир, а не доказ класу: перевіряють маркування й документи.

Розподіл світла від вимірювального джерела впливає на результат перевірки багатомодової лінії. Умови encircled flux в IEC 61280-4-1/TIA-526-14 обмежують цю невизначеність. Метод, адаптери й еталонні шнури вибирають для волокна, яке перевіряють.

3. Одномодове волокно: OS1, OS2 і ITU-T G.652/G.657

OS1/OS1a й OS2 — категорії одномодової кабельної системи, G.652/G.657 описують характеристики волокна. Це різні класифікації. OS2 не означає «лише зовнішній кабель»: існують відповідні внутрішні конструкції. Технічні матеріали вказують максимум 1,0 дБ/км для OS1a та 0,4 дБ/км для OS2 на визначених хвилях; точні вимоги залежать від застосовної редакції та виробу.

Волокно	Практичне значення
G.652.D	Стандартне одномодове волокно з нульовою дисперсією близько 1310 нм і низьким водяним піком.
G.653	Зміщена дисперсія близько 1550 нм; спеціальні застосування.
G.654	Волокна зі зміщеною довжиною хвилі відсічення для певних далеких систем.
G.655	Ненульова зміщена дисперсія для багатохвильових систем.
G.657	Підвищена стійкість до макровигинів; перевіряють категорію та конкретний кабель.

У п’ятій редакції G.657 від 2024 року категорію B2 об’єднано з A2. Актуальний опис використовує A1, A2 та B3. Категорія A узгоджена з вимогами G.652.D; B3 розрахована на сильніші вигини, а сумісність оцінюють для системи. Значення 10, 7,5 та 5 мм стосуються умов випробування відповідних категорій. Це не універсальні монтажні радіуси готового кабелю: дотримуються обмежень виробника щодо радіуса, натягу та прокладання.

4. Згасання та бюджет втрат

Волокно	Довжина хвилі	Прикладові коефіцієнти для навчального розрахунку
Багатомодове (50/125, 62,5/125)	850 нм	3,5 дБ/км
Багатомодове	1300 нм	1,5 дБ/км
Одномодове, внутрішнє	1310 і 1550 нм	1,0 дБ/км
Одномодове, зовнішнє	1310 і 1550 нм	0,5 дБ/км

Таблиця містить консервативні навчальні коефіцієнти, а не універсальні межі для будь-якого внутрішнього чи зовнішнього кабелю. Для OS2 часто вказують максимум 0,4 дБ/км на визначених хвилях; беруть дані конкретного кабелю. До α × L додають втрати рознімів, з’єднань, розгалужувачів, фільтрів і явно заданий запас. Мінімальна потужність передавача мінус чутливість приймача — оптичний бюджет; допустимі втрати каналу можуть мати додаткові обмеження.

L = α × length + Σ connectors + Σ splices + Σ splitters/filters + reserve

Застосування	Довжина хвилі	Допустимі втрати каналу
1000BASE-SX на OM1 / OM2 / OM3 / OM4	850 нм	2,6 / 3,6 / 4,5 / 4,8 дБ
1000BASE-LX (багатомодове)	1300 нм	2,3 дБ
1000BASE-LX (одномодове)	1310 нм	4,5 дБ
10GBASE-SR на OM1 / OM2 / OM3 / OM4	850 нм	2,4 / 2,3 / 2,6 / 2,9 дБ
10GBASE-LRM	1300 нм	1,9 дБ
10GBASE-LR	1310 нм	6,2 дБ
10GBASE-ER	1550 нм	11,0 дБ

Для 10GBASE-SR через OM4/OM5 за 400 м допустимі втрати каналу — 2,9 дБ. Значення 4,5/4,8 дБ для 1000BASE-SX через OM3/OM4 — довідкові дані планування розширених профілів, а не універсальні вимоги вихідного IEEE стандарту. Малі втрати не доводять працездатності: перевіряють також дальність, дисперсію, відбиття, перевантаження приймача та специфікацію модуля.

Приклад 1 (ілюстративний, розрахований за зазначеними межами)

Зв'язок 1000BASE-SX по OM3, 400 м, дві пари рознімань, без зварних з'єднань. Згасання: 0,4 км × 3,5 дБ/км = 1,4 дБ. Рознімання: 2 × 0,75 = 1,5 дБ. Разом 2,9 дБ за допустимих 4,5 дБ: запас 1,6 дБ.

Приклад 2 (ілюстративний)

Зв'язок 10GBASE-LR по зовнішньому одномодовому волокну, 8 км, дві пари рознімань і чотири з'єднання. Згасання: 8 × 0,5 = 4,0 дБ. Рознімання: 2 × 0,75 = 1,5 дБ. З'єднання: 4 × 0,3 = 1,2 дБ. Разом 6,7 дБ за допустимих 6,2 дБ: у найгіршому разі не вкладається. За типових значень виробника (наприклад, 0,33 дБ/км і менше за 0,3 дБ на рознімання та 0,1 дБ на з'єднання) втрати набагато менші, тому реальний зв'язок вимірюють, а не оцінюють лише за граничними значеннями.

5. Яке волокно для якого Ethernet

Застосування	Волокно	Орієнтовна дальність каналу
1000BASE-SX	OM1 / OM2	275 m / 550 m
1000BASE-LX	MM / SM	550 m / 5 km
1000BASE-LX10	MM / SM	550 m / 10 km
10GBASE-SR	OM1 / OM2 / OM3 / OM4 / OM5	33 / 82 / 300 / 400 / 400 m
10GBASE-LRM	MM	220 m
10GBASE-LR	SM	10 km
10GBASE-ER	SM	40 km (розрахунок траси понад 30 km)
40GBASE-SR4	OM3 / OM4	100 / 150 m
100GBASE-SR4	OM3 / OM4	70 / 100 m

Таблиця стосується конкретних застосувань, а не всієї оптики цієї швидкості. Значення 275 м для 1000BASE-SX передбачає OM1 з 200 МГц·км; старе волокно 160 МГц·км має іншу межу. Розширена дальність близько 1 км через OM3/OM4 залежить від профілю й виробника, а не гарантується вихідним стандартом. Специфікація продукту 1000BASE-LX/LH на 10 км не змінює базові 5 км для 1000BASE-LX. LX10 — окреме застосування.

10GBASE-LRM зазвичай розглядають до 220 м через підтримуване багатомодове волокно. Робота до 300 м через одномодове в окремих модулів — можливість виробника. Для 40GBASE-SR4 характерні 100 м через OM3 та 150 м через OM4; для 100GBASE-SR4 — 70 і 100 м. Ці числа не переносять на SR10, BiDi чи SWDM. Перевіряють точний модуль, волокно, кількість ліній, довжину та бюджет втрат.

6. Змішування волокон і модулів

Однакова форма рознімів не доводить оптичної сумісності. Мають збігатися швидкість, оптичне застосування, довжина хвилі, тип волокна та допустимі рівні. Для BiDi потрібна правильна парна комбінація хвиль передавача й приймача.

Втрати під час переходу між 50 і 62,5 мкм або між багатомодовим та одномодовим волокном залежать від напрямку, введення світла, модового поля й компонентів. Універсального значення «17–20 дБ в обидва боки» немає. Низькі втрати можуть поєднуватися з неприпустимою дисперсією. Різні класи 50/125 мкм іноді сумісні після перевірки, але можливості обмежує слабша ділянка.

Шнур кондиціювання мод MCP вводить світло зі зміщенням від центра багатомодового волокна для визначених застарілих застосувань. Виробник може вимагати його для окремих 1000BASE-LX/LH, LX4 або LRM на OM1/OM2. Правильний варіант встановлюють на обох кінцях на потрібній передавальній гілці. Його не додають довільно до SX/SR 850 нм або OM3/OM4/OM5. Це не універсальний перетворювач MM↔SM.

Звичайний пасивний адаптер змінює механічне сполучення, але не робить несумісні оптичні системи сумісними. Практичний перехід — активне оптико-електричне-оптичне перетворення: медіаконвертор або комутатор із відповідним модулем з кожного боку.

7. Рознімання й торець

Рознім	Ферула	З’єднання	Серія інтерфейсів
LC	1.25 mm	Засувка	IEC 61754-20
SC	2.5 mm	Push-pull	IEC 61754-4
ST	2.5 mm	Байонет	IEC 61754-2
FC	2.5 mm	Різьба	IEC 61754-13
MPO	Прямокутна MT	Push-pull	IEC 61754-7

LC має ферулу 1,25 мм, SC, ST та FC — 2,5 мм. MPO — багатоволоконний інтерфейс із прямокутною MT-ферулою. Також мають відповідати полярність, кількість волокон і наявність напрямних штифтів. Форма розніму сама по собі не визначає SM/MM або застосування.

APC зазвичай має кут 8° і зелений корпус; у UPC інше оброблення торця. APC та UPC не можна з’єднувати один з одним: можливі втрати, відбиття й пошкодження. Колір — лише орієнтир. Послідовність очищення: «оглянути → очистити за потреби → оглянути знову». Використовують відповідний відеозонд після перевірки оптичної потужності; прямо у волокно не дивляться.

8. Зварювання

Зварювання й механічне з’єднання застосовують і для одномодових, і для багатомодових волокон. Зварювання поширене в постійних лініях; механічний виріб буває тимчасовим або постійним за специфікацією. Вибір залежить від середовища, інструмента й допустимих втрат.

Підготувати кабель і запас; надіти захисну гільзу до з’єднання.
Видалити буфер і покриття відповідно до конструкції кабелю. Буфер 900 мкм є не в кожного волокна.
Очистити дозволеними матеріалами й виконати точний скол відповідним інструментом. Не торкатися торця після сколювання.
Вирівняти й зварити за програмою для цих волокон і відкаліброваним інструментом.
Оцінити результат апарата. Це розрахункова оцінка, а не незалежне вимірювання. Дефектне з’єднання підготувати заново.
Захистити й укласти в касету з дотриманням радіуса та без натягу.

За добрих умов виробники демонструють втрати зварювання менш ніж 0,05 дБ, але це не гарантія для кожного з’єднання. Волокна й умови відрізняються. Допуски 0,75 дБ на пару рознімів і 0,3 дБ на з’єднання можуть бути консервативними навчальними припущеннями; приймальні межі задають для конкретного каналу. Довільний перехід MM–SM зварюванням не створюють.

9. Вимірювання та перевірка

OLTS — джерело й вимірювач потужності — вимірює наскрізні втрати на потрібних хвилях за правильно встановленої опорної величини.
OTDR локалізує події, з’єднання та дефекти. Для оцінювання з’єднань потрібні відповідні ввідне й вихідне волокна, налаштування та вимірювання з обох кінців.
Різне зворотне розсіювання може дати на OTDR уявну від’ємну втрату — «gainer». Усереднення однієї події у двох напрямках зменшує помилку; з’єднання не підсилює світло.
OLTS та OTDR доповнюють один одного. Важливі також відеоогляд торців, неперервність і полярність. Фіксують метод, довжину, хвилю, напрямок, опорну величину, втрати й критерії оцінювання.

10. Які документи для чого

Документ	Предмет
ITU-T G.652, G.657, G.653–G.656	Типи одномодового волокна
IEC 60793-2-50 (одномодове), IEC 60793-2-10 (багатомодове)	Продуктові специфікації волокна
TIA-492AAAx (MM), TIA-492CAAx (SM)	Специфікації волокна за TIA
ISO/IEC 11801, TIA-568.3	Кабельні системи й компоненти, класи OM/OS, межі втрат
TIA-598	Кольори оболонок
IEC 61754 (серія)	Геометрія рознімань
IEC 61300, IEC 61753-1	Випробування та класи характеристик рознімань
IEC 61280-4-1 / TIA-526-14, TIA-526-7	Вимірювання втрат (багатомодове й одномодове)
IEEE 802.3 (пункти 38, 52, 59, 68 та ін.)	Яке волокно й відстань допускає кожен стандарт Ethernet

11. Типові помилки

Модуль і волокно різного типу (SM-модуль на MM-волокні або навпаки).
Шнур для кондиціонування мод на OM3 або на зв'язку 850 нм.
Брудне або подряпане рознімання: найчастіша причина поганого зв'язку.
Поганий скол перед зварюванням.
Радіус вигину менший за допустимий (особливо в старого волокна, не G.657).
Бюджет розрахований лише за типовими значеннями й не перевірений вимірюванням.
Рознімання різного типу в одному зв'язку (APC до UPC).

12. Безпека

Активна оптика може випромінювати невидиме інфрачервоне світло. Не дивляться у волокно чи рознім. Перед оглядом перевіряють наявність оптичної потужності й дотримуються процедур обладнання. Відповідний відеозонд кращий за пряме спостереження через окуляр. Скляні обрізки збирають в окремий закритий контейнер. Лазерній безпеці присвячено серію IEC 60825.

Примітка про достовірність

Матеріал звірено з відкритими рекомендаціями ITU-T, даними виробників і довідками TIA FOTC. Повні платні тексти IEC/ISO/TIA не подано як безпосередньо перевірені. Дані окремих модулів не є універсальними властивостями волокна. Для реального тракту використовують застосовну редакцію, документи точних компонентів і вимірювання.

Багатомодове й одномодове оптичне волокно: стандарти, класи, сумісність і зварювання