Typy światłowodów — jednomodowy a wielomodowy (OS2, OM1-OM5) wg ISO/IEC 11801

Przewodnik o zabezpieczeniu różnicowo-prądowym linii (87L) przez kanał światłowodowy oraz przewodnik o IEC 61850 i komunikatach GOOSE zakładają dostępność połączenia światłowodowego, nie omawiając, jaki typ światłowodu jest do tego odpowiedni. Ten artykuł omawia rozróżnienie między światłowodem jednomodowym a wielomodowym wg ISO/IEC 11801, i dlaczego niewłaściwy wybór — lub przypadkowe zmieszanie obu typów — prowadzi do niedziałającego lub znacznie gorzej działającego połączenia.

Jednomodowy: mały rdzeń, praktycznie nieograniczony zasięg

Światłowód jednomodowy (SMF), klasyfikowany jako OS1 (wewnątrz budynków) lub OS2 (o niskim tłumieniu w punkcie wodnym, odpowiedni zarówno do zastosowań wewnętrznych, jak i zewnętrznych), ma bardzo małą średnicę rdzenia wynoszącą około 9 µm. Ten mały rdzeń pozwala światłu podróżować praktycznie tylko jedną drogą propagacji (modem) przez włókno, przez co dyspersja modowa — rozmycie impulsu świetlnego wynikające z różnego czasu przejścia różnych dróg propagacji — niemal całkowicie zanika. Wynikiem jest bardzo niskie tłumienie (typowo około 0,4 dB/km zarówno przy długości fali 1310 nm, jak i 1550 nm) oraz iloczyn pasma i odległości, który dla praktycznych długości połączeń (do kilkudziesięciu kilometrów bez wzmocnienia) nie jest czynnikiem ograniczającym. Światłowód jednomodowy jest więc standardowym wyborem dla połączeń na dużą odległość, takich jak kanały światłowodowe omawiane w przewodniku o zabezpieczeniu różnicowo-prądowym linii 87L między dwiema stacjami.

Wielomodowy: większy rdzeń, iloczyn pasma i odległości jako czynnik ograniczający

Światłowód wielomodowy (MMF) ma znacznie większy rdzeń (62,5 µm dla starszego OM1, 50 µm dla OM2 do OM5), przez co światło podróżuje włóknem jednocześnie wieloma drogami propagacji. Powoduje to dyspersję modową, która ogranicza użyteczny iloczyn pasma i odległości — im wyższy pożądany bitrate, tym krótsza maksymalna długość kabla. ISO/IEC 11801 oraz towarzyszące specyfikacje włókien IEC 60793-2-10 rozróżniają pięć klas wielomodowych o rosnącej wydajności:

Uwaga: tabela podaje orientacyjne, powszechnie stosowane wartości; dokładna gwarantowana kombinacja odległości i bitrate dla konkretnego włókna wynika ze specyfikacji producenta kabla i używanego sprzętu nadawczo-odbiorczego (transceivera), a nie z jednej uniwersalnej liczby na klasę.

Kodowanie kolorystyczne jako szybka, lecz nie niezawodna identyfikacja

W praktyce typy włókien są często rozróżniane wizualnie po kolorze płaszcza kabla lub obudowy złącza: jednomodowy (OS1/OS2) zwykle żółty, OM1/OM2 zwykle pomarańczowe, OM3 zwykle akwamarynowe/turkusowe, OM4 zwykle fioletowe (lub również akwa, zależnie od producenta) i OM5 zwykle limonkowo-zielone. To kodowanie kolorystyczne jest użytecznym, szybkim środkiem identyfikacji na miejscu pracy, ale nie zastępuje konieczności sprawdzenia rzeczywistego oznaczenia lub dokumentacji kabla — konwencje kolorystyczne są powszechne, ale nie uniwersalnie obowiązkowe, a błędnie założony kolor może prowadzić do pomyłki co do typu włókna.

Dlaczego mieszanie jednomodowego i wielomodowego światłowodu jest częstym błędem praktycznym

Średnice rdzeni jednomodowego (≈9 µm) i wielomodowego (50 lub 62,5 µm) różnią się na tyle silnie, że podłączenie kabla krosowego jednomodowego do sprzętu wielomodowego (lub odwrotnie) zwykle nie skutkuje jedynie subtelnie gorszą wydajnością, lecz prowadzi do silnie osłabionego lub całkowicie niedziałającego połączenia: światło wprowadzane z większego rdzenia wielomodowego do znacznie mniejszego rdzenia jednomodowego traci dużą część swojej mocy na przejściu, a jednomodowy nadajnik laserowy podłączony do włókna wielomodowego prześwietla i zakłóca odbiornik po drugiej stronie z powodu nadmiaru dróg propagacji, które nagle stają się tam dostępne. Sprawia to, że pomyłkowa zamiana kabli krosowych — na przykład przy pośpiesznej naprawie lub rozbudowie — jest jedną z najczęstszych przyczyn niewyjaśnionego, słabo działającego lub całkowicie uszkodzonego kanału światłowodowego.

Wybór praktyczny: decydują odległość i zastosowanie

Dla zastosowań omawianych na tej platformie, zasada praktyczna jest zwykle taka:

• Jednomodowy: połączenia na dużą odległość między stacjami, jak przy zabezpieczeniu różnicowo-prądowym linii 87L lub telezabezpieczeniu (85), gdzie odległość może wynosić kilkadziesiąt kilometrów.
• Wielomodowy: krótkie połączenia wewnątrz stacji, takie jak okablowanie szyny procesowej lub szyny stacyjnej między przekaźnikami IED lub między IED a przełącznikiem Ethernet w tym samym budynku (zob. przewodnik o IEC 61850 i komunikatach GOOSE), gdzie odległość zwykle pozostaje poniżej kilkuset metrów, a przekaźniki nadawczo-odbiorcze wielomodowe są tańsze niż ich jednomodowe odpowiedniki.

Częste błędy

1. Użycie kabla krosowego jednomodowego na sprzęcie wielomodowym (lub odwrotnie) — zwykle skutkuje to brakiem połączenia lub silnie osłabionym połączeniem, a nie jedynie niewielkim spadkiem wydajności.
2. Poleganie wyłącznie na kolorze płaszcza kabla bez sprawdzenia oznaczenia lub dokumentacji, podczas gdy konwencje kolorystyczne mogą różnić się między producentami.
3. Stosowanie światłowodu wielomodowego do połączenia na dużą odległość tylko dlatego, że akurat jest dostępny, bez sprawdzenia, czy iloczyn pasma i odległości jest wystarczający dla wymaganego bitrate i długości.
4. Traktowanie klas wielomodowych (OM1-OM5) jako wzajemnie zamiennych — połączenie działające poprawnie z OM4 przy danej odległości i bitrate może już wykraczać poza specyfikację przy OM1 lub OM2 na tej samej odległości.

Powiązane

• Zabezpieczenie różnicowo-prądowe linii (87L) przez kanał światłowodowy
• Telezabezpieczenie (85) — schematy zezwalające/blokujące zabezpieczenia odległościowego
• IEC 61850 i komunikaty GOOSE — komunikacja peer-to-peer zabezpieczeń
• PoE (Power over Ethernet) — wiązanie kabli i wydzielanie ciepła