Step-Index versus Graded-Index Fiber: Co je lepší?

Krokový{0}}index a stupňovaný-index jsou dvě zásadně odlišné konstrukce vícevidového vlákna a na rozdílu záleží více, než si mnozí síťoví plánovači uvědomují. Profil indexu lomu uvnitř jádra vlákna určuje, jak se světlo šíří, jak moc se vyskytuje modální disperze a v konečném důsledku, jakou šířku pásma může vícevidový spoj dodat.

Stručně řečeno: vícevidové vlákno s odstupňovaným indexem{0}} dominuje moderním prostorám a kabeláži datových center, protože jeho parabolický profil indexu lomu výrazně omezuje rozšíření pulzu. Krok{2}}indexové vícevidové vlákno, kdysi běžné, je nyní omezeno na specializovaná použití, jako jsou spotřebitelské spoje z plastových optických vláken (POF) a určitá průmyslová nebo vzdělávací zařízení. Tato příručka vysvětluje proč, s odkazy na průmyslové normy a praktická kritéria výběru.
 

Krok-Index vs. Graded-Index Fiber ve zkratce

Co je Step-Index Multimode Fiber?

V krokovém{0}}indexovém vícevidovém vláknu sdílí celé jádro jeden jednotný index lomu. Na hranici mezi jádrem a pláštěm index prudce klesá -, odtud název „krok“. Světlo vstupující do jádra se od této hranice odráží v klikatém vzoru a odráží se od stěny ke stěně, jak se pohybuje podél vlákna.

Problém je, že různé světelné režimy vstupují pod různými úhly, takže sledují různě dlouhé dráhy. Paprsek pohybující se téměř rovně po ose pokryje menší vzdálenost než paprsek odrážející se pod strmým úhlem. Protože index lomu je všude uvnitř jádra stejný, všechny režimy se pohybují stejnou rychlostí -, což znamená, že paprskům se strmým-úhlem prostě trvá déle, než dorazí. Tento časový rozptyl mezi nejrychlejším a nejpomalejším režimem jemodální disperzea je primárním omezovačem šířky pásma v jakémkoli vícevidovém vláknu.

PodleAsociace optických vláken (FOA), step{0}}index skleněné vícevidové vlákno se již v telekomunikacích příliš nepoužívá. V dnešní době pouze plastová optická vlákna (POF) a plastická -křemičitá hmota (PCS/HCS) stále používají krokový-indexový design, zejména pro krátké spotřebitelské audio nebo video spoje. V praktické síťové kabeláži bylo krokové-indexové vícevidové vlákno téměř zcela nahrazeno stupňovitým-indexem.

Kde se stále zobrazuje krok-Index Fiber

Z hlediska návrhu sítě je nepravděpodobné, že se v projektu moderní strukturované kabeláže setkáte s multimodálním vláknem step{0}}index. Ale nezmizelo to úplně. Mezi situace, kdy může být index{3}}kroků stále relevantní, patří:

• Výukové laboratoře demonstrující principy vícevidového šíření a modální disperzní efekty
• POF-spojení na krátké{1}}vzdálenosti ve spotřební elektronice, automobilových{2}}sítích ve vozidlech nebo domácích audio systémech
• Určité průmyslové aplikace snímání, kde je praktická jednodušší struktura vlákna a větší jádro
• Starší instalace, které ještě nebyly upgradovány

Pokud pracujete sskleněné versus plastové optické vláknopomáhá pochopit, že POF je svou podstatou krokový-index, zatímco prakticky všechna skleněná vícevidová vlákna prodávaná pro sítě dnes používají profil odstupňovaného-indexu.
 

Co je to Graded{0}}Index Multimode Fiber?

Vícevidové vlákno s klasifikovaným-indexem má jiný přístup. Namísto jednotného jádra je index lomu nejvyšší ve středu a postupně klesá - typicky po téměř-parabolické křivce - směrem k plášti. Mezinárodní telekomunikační unie klasifikuje tento typ vlákna podITU-T G.651.1.

Tento parabolický profil mění kritickým způsobem fyziku šíření světla. Spíše než poskakování v ostrých klikatých odrazech sledují světelné paprsky hladké zakřivené dráhy skrz jádro. Režim, který se pohybuje dále od středu - a pokrývá fyzicky delší dráhu -, se pohybuje oblastmi s nižším indexem lomu, kde se pohybuje rychleji. Mezitím blízký-axiální režim pokryje kratší vzdálenost, ale pohybuje se přes vyšší-střed indexu pomaleji. Výsledkem je, že různé módy dorazí na vzdálený konec vlákna mnohem blíže k sobě v čase.

Tento efekt kompenzace rychlosti je důvodem, proč vlákno se stupňovitým-indexem má mnohem menší modální disperzi než vlákno se stupňovitým{1}}indexem. Teoreticky může dokonale parabolický profil snížit intermodální disperzi o faktor zhruba 1 000 ve srovnání s indexem kroku-. Ve skutečném-světě výroby se trvale dosahuje zhruba 100násobného zlepšení šířky pásma oproti indexu kroku-, - natolik, že podporuje multi-gigabitový Ethernet na stovky metrů.

Proč je Graded-Index standardem pro moderní vícerežimové sítě

Každá současná klasifikace OM vícevidových vláken - OM1, OM2, OM3, OM4 a OM5 - je založena na návrhu jádra s odstupňovaným-indexem. Označení OM, definované vANSI/TIA-568.3 a ISO/IEC 11801, určete minimální požadavky na modální šířku pásma, které mohou splňovat pouze profily s odstupňovaným{0}}indexem. Například:

• OM3(50/125 µm, laser-optimalizováno): efektivní modální šířka pásma 2000 MHz·km při 850 nm, podpora 10gigabitového Ethernetu až do 300 m
• OM4(50/125 µm, laser-optimalizováno): efektivní modální šířka pásma 4700 MHz·km při 850 nm, podpora 10gigabitového Ethernetu až do 550 m
• OM5(50/125 µm, širokopásmové): rozšiřuje specifikaci OM4 o podporu krátkých-multiplexování s dělením vlnové délky (SWDM) na 850–953 nm

Podrobné srovnání limitů vzdálenosti a rychlosti přenosu dat ve všech kategoriích OM najdete v našem průvodciLimity vzdálenosti vícevidových vláken OM1–OM5.

Starší klasifikace OM1 (62,5/125 µm) a OM2 (50/125 µm) byly navrženy především pro světelné zdroje LED. Podle nejnovější revize standardu TIA (ANSI/TIA-568.3-E) byly OM1 a OM2 přesunuty do starší přílohy a již se nedoporučují pro nové instalace. Moderní nasazení v drtivé většině specifikuje OM3 nebo OM4 laserově optimalizované vlákno s odstupňovaným indexem spárované s 850 nm VCSEL transceivery.

Vysvětlení klíčových rozdílů

Profil indexu lomu

Toto je základní rozlišení. Vlákno s indexem lomu -má plochý, jednotný index lomu napříč jádrem s jedinou ostrou hranicí. Vlákno s klasifikovaným-indexem má plynule se měnící index - nejvyšší ve středu a směrem ven klesá v téměř-parabolickém tvaru. Vše ostatní vyplývá z tohoto strukturálního rozdílu.

Modální disperze a šířka pásma

V krokovém{0}}indexovém vícevidovém vláknu omezuje modální rozptyl praktickou šířku pásma na zhruba 20–100 MHz·km. To výrazně omezuje použitelné datové rychlosti a vzdálenosti. V multimódovém vláknu se stupňovaným indexem vyrovnává parabolický profil doby cestování v režimu a posouvá šířku pásma do rozsahu 500 MHz·km (OM2) až 4700 MHz·km (OM4) a dále. To je důvod, proč může odstupňované{11}}vláknové vlákno přenášet 10 Gb/s, 40 Gb/s nebo dokonce 100 Gb/s ethernetový provoz na významné vzdálenosti - něco, co krok{16}}indexové multimódové vlákno prostě nedokáže.

Šíření světla

Krok-indexové vlákno vytváří diskrétní cik-cak odskoky. Graded{2}}indexové vlákno vytváří souvislé zakřivené dráhy, které se podobají sinusovým vlnám -, což je jemnější, lépe řízená forma šíření, která omezuje rozšiřování pulzu na stejnou délku linky.

Praktické aplikace

V reálném rozhodování o kabeláži se nejedná o úzkou konkurenci. Pokud specifikujete vlákno pro podnikovou síť LAN, páteřní síť kampusu, propojení datových center nebo jakýkoli projekt strukturované kabeláže navržený pro současnou nebo příští -generaci ethernetových rychlostí, je jedinou seriózní vícerežimovou možností vlákno s odstupňovaným-indexem. Krok-indexové vícerežimové vlákno plní úzkou sadu rolí - spotřebitelské odkazy POF, vzdělávací demonstrace a některá průmyslová měření -, z nichž žádná se nepřekrývá s typickou síťovou infrastrukturou.
 

Jak to souvisí s OM1, OM2, OM3, OM4 a OM5 Fiber

Častý problém: „krok-index vs. stupňovaný-index“ a „OM1 vs OM3 vs OM4“ vypadají jako různé konverzace, ale spolu souvisí.

Všechna vícerežimová vlákna třídy OM-používají profily jádra s odstupňovaným{1}}indexem. Číslování OM nepopisuje krok-index vs. stupňovaný-index -, místo toho rozlišuje různéstupněodstupňovaného výkonu indexu-, především podle jejich modální šířky pásma a světelného zdroje, pro který jsou optimalizovány.

Průběh vypadá takto:

• OM1(62,5/125 µm): časně odstupňovaný-indexový design pro LED zdroje; přeplněná startovací šířka pásma 200 MHz·km při 850 nm. Nyní dědeček.
• OM2(50/125 µm): vylepšený odstupňovaný-index pro zdroje LED; přeplněná startovací šířka pásma 500 MHz·km při 850 nm. Také dědeček.
• OM3(50/125 µm): první laserový -optimalizovaný odstupňovaný- design indexu s přísně kontrolovaným profilem indexu lomu navrženým speciálně pro podmínky startu 850 nm VCSEL.
• OM4: dále vylepšený odstupňovaný-profil indexu dosahující efektivní modální šířky pásma 4700 MHz·km - více než dvojnásobné OM3.
• OM5: přidává širokopásmové možnosti (850–953 nm) pro krátkovlnné-dělení multiplexování, postavené na jádru třídy OM4- s odstupňovaným indexem.

Takže když se někdo zeptá, zda je „vlákno OM3 klasifikovaný-index“ - ano, je. Stejně tak OM1, OM2, OM4 a OM5. Vysvětluje rozdíl mezi krokovým-indexem a stupňovaným-indexempročmoderní multimódové vlákno funguje stejně dobře; OM klasifikace vám říkájak dobřekonkrétní klasifikované{0}}vlákno indexu funguje.

Pochopení kteréSFP modul transceiverupárů s každou třídou OM je stejně důležité jako výběr správného optického vlákna - a optického vlákna, které omezí výkon spojení bez ohledu na kvalitu kabelu.

Šířka pásma a vzdálenost: Praktické důsledky

Součin vzdálenosti-šířky pásma (měřeno v MHz·km) je nejpřímější způsob, jak porovnat výkon multimódového vlákna. Říká vám, jakou rychlost přenosu dat může daná délka vlákna podporovat, než modální disperze degraduje signál.

Pro krokové-indexové multimode vlákno je šířka pásma-vzdálenost obvykle v rozsahu 20–100 MHz·km. To znamená, že na 1 km můžete podporovat pouze 20–100 MHz analogové šířky pásma -, což je příliš málo pro jakýkoli současný vysokorychlostní ethernetový standard-.

U vícevidových vláken s odstupňovaným-indexem jsou čísla výrazně vyšší. Vlákno OM4 s 4700 MHz·km při 850 nm může podporovat 10GBASE-SR až 550 metrů nebo 40GBASE-SR4 a 100GBASE-SR4 až 150 metrů pomocí paralelní optiky MPO/MTP. Tyto vzdálenosti pokrývají převážnou většinu délek propojení v budovách a datových centrech{16}.

Z praktického hlediska není volba mezi vícevidovým vláknem s krokovým{0}}indexem a se stupňovaným indexem{1}}ve skutečnosti kompromisem v šířce pásma -, jde o to, zda je výkon více režimů dokonce v rozsahu použitelném pro vaši aplikaci. U moderních ethernetových spojení dosahuje tohoto rozsahu pouze odstupňovaný-index.

Pokud vzdálenosti vašich spojů překračují to, co může pokrýt OM3 nebo OM4 multimode, dalším krokem obvykle není krok-index nebo jiný multimódový stupeň -, na který se přesouvájednovidové-vlákno, který zcela eliminuje modální disperzi tím, že podporuje pouze jeden způsob šíření.

Jak vybrat správné vlákno pro váš projekt

Ujasněte si, co vlastně stavíte

Pokud je projekt moderní LAN, páteřní síť nebo datové centrum navržený pro 1 Gb/s a vyšší, standardním výchozím bodem je odstupňované -indexové multimode vlákno (OM3 nebo OM4). Krok-index multimode vlákno nevstupuje do konverzace pro tyto aplikace.

Pokud je projekt spotřebitelské audio spojení, vzdělávací laboratoř optických vláken nebo speciální senzorová aplikace, může být vhodný krok-index (obvykle POF).

Slaďte požadavky na kvalitu vlákna a propojení

Jakmile zjistíte, že stupňovaný-index je ten správný návrh, skutečným rozhodnutím je, která třída OM vyhovuje vašim potřebám na šířku pásma a vzdálenost. OM3 funguje dobře pro většinu běhů do 300 metrů při rychlosti 10 Gb/s. OM4 rozšiřuje tento dosah a poskytuje větší prostor pro budoucí zvýšení rychlosti. OM5 stojí za zvážení, pokud plánujete používat transceivery založené na SWDM-pro 100G+ přes duplexní vlákno.

V současném standardu TIA jsou OM1 a OM2 chráněny před -, což znamená, že jsou stále uznávány, ale již se nedoporučují pro nové kabely na zelené louce. Pokud navrhujete novou kabelovnu, specifikací OM3 nebo vyšší zabráníte předčasnému zastarání.

Zvažte úplný odkaz, nejen vlákno

Výběr vláken je jednou součástí návrhu většího propojení.Typ konektoru, kompatibilita transceiveru, ztráta spoje, poloměr ohybu aztráta vložení versus ztráta návratemvšechny ovlivňují, zda odkaz plní rozpočet na výkon. Volba vlákna OM4, ale použití špatně zakončených konektorů nebo neodpovídající optiky nepřinese očekávané výsledky.

Vědět, kdy přejít za více režimy

Pokud vaše vzdálenosti překračují zhruba 500–600 metrů nebo potřebujete podporovat rychlosti 10G+ při delších úsecích, nemusí být vícevidové vlákno (dokonce ani OM4) dostatečné. V tomto okamžiku jedno-režimové vlákno s vhodnýmtransceivery nebo transpondéryje obvykle lepší investice. Otázka krok-index vs. stupňovaný{2}}index se stane irelevantní, jakmile přejdete do jednoduchého-režimu, který používá své vlastní odlišné návrhy vláken (OS1 a OS2).
 

Časté chyby v tomto srovnání

Záměna s Single{0}}režim vs. Multimode

Krokový{0}}index vs. stupňovaný-index popisuje, jak je index lomu distribuován uvnitř jádra. Jeden-režim vs. vícerežim popisuje, kolik režimů šíření vlákno podporuje. To jsou příbuzné, ale samostatné pojmy. Jedno-režimové vlákno obvykle používá krokový-profil indexu s velmi malým jádrem (kolem 8–10 µm), který umožňuje pouze jednomu -videu zcela odlišný cíl designu než multividové vlákno kteréhokoli typu.

Za předpokladu, že všechna multimódová vlákna fungují stejně

Skutečnost, že všechna současná vlákna třídy OM-používají odstupňovaný-index, neznamená, že jsou vzájemně zaměnitelná. Vlákno OM1 (200 MHz·km přeplněná šířka pásma) a vlákno OM4 (4700 MHz·km efektivní modální šířka pásma) se výrazně liší ve výkonu. Přesnost odstupňovaného -profilu indexu -, jak přesně odpovídá ideální parabole, jak dobře je optimalizován pro spuštění VCSEL -, odděluje OM3/OM4/OM5 od dřívějších generací.

Ignorování výběru konstrukce kabelu a konektoru

Výběr správného typu vlákna je nezbytný, ale ne dostačující. Ať už používáteuvolněná-trubka nebo napnutý-kabel s vyrovnávací pamětí, kvalita vašípropojovací kabelya zakončení a jak pečlivě spravujete poloměr ohybu a tahové napětí, to vše ovlivňuje výkon spojů ve skutečném-světě.

Je Step-Index Fiber zastaralý?

Ne úplně -, ale pro běžné síťové kabely je to fakticky mimo obraz. FOA poznamenává, že krok{2}}indexové skleněné vícevidové vlákno se již v telekomunikacích významně nepoužívá. Index step{4}}přetrvává v plastových optických vláknech (POF) pro spotřebitelské nebo automobilové krátké spoje a v některých speciálních průmyslových aplikacích. Toto jsou platná použití, ale nekříží se s podnikovými sítěmi nebo sítěmi datových center.

Pokud ve stávající instalaci narazíte na vícerežimové vlákno krok{0}}indexu, téměř jistě se jedná o starší infrastrukturu. Ve většině případů upgrade na indexové vlákno s klasifikací OM3 nebo OM4-jako součást obnovy strukturované kabeláže přinese podstatně lepší šířku pásma, delší podporované vzdálenosti a kompatibilitu se síťovým vybavením současné a příští{5}}generace.

Často kladené otázky

Je odstupňované-indexové vlákno pro vytváření sítí lepší než krokové{1}}indexové vlákno?

Pro jakoukoli moderní síťovou aplikaci - podniková síť LAN, kabeláž kampusu, propojení datových center je - odstupňované- vícerežimové vlákno s indexem mnohem lepší. Poskytuje výrazně nižší modální rozptyl a mnohem větší šířku pásma. Vícevidové vlákno Step-index není hodnoceno pro současné vysokorychlostní ethernetové standardy-.

Používá se step{0}}indexové vlákno ještě dnes?

Ano, ale v úzkých souvislostech. Plastové optické vlákno (POF) používá krokový-indexový design a nachází se ve spotřebitelských audio/video spojích a v některých automobilových-sítích ve vozidlech. Krok-indexové skleněné vícevidové vlákno je vzácné mimo starší instalace a výukové laboratoře.

Je jedno-jednorežimový vláknový krokový-index nebo stupňovaný-index?

Standardní jedno{0}}vlákno s jedním režimem (jako je G.652.D) používá krokový-indexový profil, ale s průměrem jádra asi 8–10 µm - dostatečně malým, aby podporovalo pouze jeden režim šíření. To se zásadně liší od krokového-indexuvícerežimovývlákno, které má mnohem větší jádro a podporuje stovky režimů s vysokým rozptylem.

Mají vlákna OM3 a OM4 klasifikovaný-index?

Ano. Všechna multimodová vlákna třídy OM- (OM1 až OM5) používají návrhy jádra s odstupňovaným-indexem. OM3 a OM4 jsou speciálně navrženy s přísně kontrolovanými parabolickými profily optimalizovanými pro 850 nm laserové zdroje VCSEL, což je důvod, proč dosahují vysoce efektivní modální šířky pásma.

Co je to produkt šířky pásma-a proč na tom záleží?

Součin vzdálenosti-šířky pásma (v MHz·km) udává, jakou šířku pásma signálu může vlákno přenést na danou vzdálenost, než modální disperze sníží výkon. Krokové-indexové multimódové vlákno má obvykle rychlost 20–100 MHz·km; Vlákno OM4 s odstupňovaným-indexem dosahuje 4700 MHz·km -, což je zhruba 50 až 200násobný rozdíl.

Co je lepší pro krátkodobou-LAN: krokový-index nebo stupňovaný-index?

Bez jakýchkoli otázek hodnocený-index. I pro krátké-provozy v budovách používá moderní zařízení LAN transceivery založené na VCSEL-určené pro indexové vlákno OM3 nebo OM4-. Vícevidové skleněné vlákno Step-index není s touto optikou v žádném praktickém smyslu kompatibilní.

Kdy mám toto srovnání úplně přeskočit a zvolit jeden-režim?

Pokud vzdálenosti vašeho připojení překračují 500–600 metrů, pokud potřebujete podporovat rychlosti 10G+ na delší dosah nebo pokud chcete maximální budoucí škálovatelnost bez upgradů optických vláken, je vhodnější volbou jedno-režimové vlákno. Otázka krok-index vs. stupňovaný-index platí pouze v rámci kategorie s více režimy.

Závěrečné myšlenky

Rozlišení krokového-indexu a stupňovaného{1}}indexu stojí za pochopení, protože vysvětluje fyzikální podstatu výkonu vícevidových vláken. Odstupňovaný-parabolický profil indexu kompenzuje různé cesty cestování, což snižuje modální disperzi, což umožňuje vyšší šířku pásma - a tento řetězec příčin a následků je přesně důvodem, proč je každé současné vícevidové vlákno třídy OM-tříděno-indexem.

Pro každého, kdo specifikuje optické vlákno pro skutečný síťový projekt, je praktický návod přímočarý. Vícevidové vlákno Step-index patří do dřívější éry optických vláken a do úzké skupiny současných specializovaných aplikací. Graded-index multimode vlákno - konkrétně OM3 nebo OM4 - je standardní volbou pro kabeláž moderních prostor, kampusů a datových center. A když multimód dosáhne své vzdálenosti nebo rychlostního limitu, cesta vpřed je v jediném-režimu, nikoli v jiném multirežimovém designu.

Před dokončením jakéhokoli výběru vlákna si ověřte celkový rozpočet spojení: kvalita vlákna,typ konektoru, kompatibilita transceiveru, vzdálenost a plánované aktualizace rychlosti. Samotné vlákno je jen jeden kus systému, který musí spolupracovat.