Типы оптического волокна — одномодовое против многомодового (OS2, OM1-OM5) по ISO/IEC 11801

Руководство о линейной дифференциальной защите (87L) через волоконно-оптический канал и руководство об IEC 61850 и сообщениях GOOSE оба предполагают наличие волоконно-оптического соединения, не рассматривая, какой тип волокна для этого подходит. Эта статья рассматривает различие между одномодовым и многомодовым оптическим волокном по ISO/IEC 11801, и почему неверный выбор — или случайное смешивание обоих типов — приводит к неработающему или сильно недоэффективному соединению.

Одномодовое волокно: малая сердцевина, практически неограниченная дальность

Одномодовое оптическое волокно (SMF), классифицируемое как OS1 (внутри помещений) или OS2 (с низким затуханием на водяном пике, подходит как для внутреннего, так и для наружного применения), имеет очень малый диаметр сердцевины — около 9 мкм. Эта малая сердцевина позволяет свету распространяться практически только по одному пути (моде) через волокно, из-за чего модовая дисперсия — расхождение светового импульса из-за разного времени прохождения различных путей распространения — практически исчезает. Результатом является очень низкое затухание (обычно около 0,4 дБ/км как на длине волны 1310 нм, так и 1550 нм) и произведение полосы пропускания на расстояние, которое для практических длин соединений (до десятков километров без усиления) не является ограничивающим фактором. Поэтому одномодовое волокно — стандартный выбор для соединений на большие расстояния, таких как волоконно-оптические каналы, рассматриваемые в руководстве об 87L-линейной дифференциальной защите между двумя подстанциями.

Многомодовое волокно: бόльшая сердцевина, произведение полосы пропускания на расстояние как ограничивающий фактор

Многомодовое оптическое волокно (MMF) имеет значительно бόльшую сердцевину (62,5 мкм для более старого OM1, 50 мкм для OM2 - OM5), из-за чего свет распространяется по волокну сразу по нескольким путям. Это вызывает модовую дисперсию, что ограничивает полезное произведение полосы пропускания на расстояние — чем выше желаемая битовая скорость, тем короче максимальная длина кабеля. ISO/IEC 11801 и соответствующие спецификации волокна IEC 60793-2-10 различают пять классов многомодового волокна с возрастающей производительностью:

Внимание: таблица приводит ориентировочные, широко используемые значения; точное гарантированное сочетание расстояния и битовой скорости для конкретного волокна вытекает из спецификации производителя кабеля и используемого приёмопередающего оборудования (трансивера), а не из одного универсального числа на класс.

Цветовая кодировка как быстрый, но не безотказный способ идентификации

На практике типы волокна часто визуально различают по цвету оболочки кабеля или корпуса разъёма: одномодовое (OS1/OS2) обычно жёлтое, OM1/OM2 обычно оранжевые, OM3 обычно аквамариновые/бирюзовые, OM4 обычно фиолетовые (или также аква, в зависимости от производителя) и OM5 обычно лаймово- зелёные. Эта цветовая кодировка — полезное, быстрое средство идентификации на рабочем месте, но не заменяет необходимость проверки фактической маркировки или документации кабеля — цветовые соглашения широко распространены, но не универсально обязательны, и неверно принятый цвет может привести к ошибке с типом волокна.

Почему смешивание одномодового и многомодового волокна — частая практическая ошибка

Диаметры сердцевины одномодового (≈9 мкм) и многомодового (50 или 62,5 мкм) волокна различаются настолько сильно, что подключение одномодового патч-кабеля к многомодовому оборудованию (или наоборот) обычно не даёт лишь незначительное снижение производительности, а приводит к сильно ослабленному или полностью неработающему соединению: свет, вводимый из бόльшей многомодовой сердцевины в гораздо меньшую одномодовую сердцевину, теряет большую часть своей мощности на переходе, а одномодовый лазерный передатчик, подключённый к многомодовому волокну, переэкспонирует и нарушает работу приёмника на другом конце из-за избытка путей распространения, внезапно доступных там. Это делает ошибочную замену патч-кабелей — например, при поспешном ремонте или расширении — одной из наиболее частых причин необъяснимо плохо работающего или полностью отказавшего волоконно-оптического канала.

Практический выбор: определяющими являются расстояние и применение

Для приложений, рассматриваемых на данной платформе, эмпирическое правило обычно таково:

• Одномодовое: соединения на большие расстояния между подстанциями, как при 87L-линейной дифференциальной защите или телезащите (85), где расстояние может составлять десятки километров.
• Многомодовое: короткие соединения внутри подстанции, такие как кабели шины процесса или шины подстанции между IED или между IED и коммутатором Ethernet в одном здании (см. руководство об IEC 61850 и сообщениях GOOSE), где расстояние обычно остаётся в пределах нескольких сотен метров, а многомодовые приёмопередатчики дешевле своих одномодовых аналогов.

Частые ошибки

1. Использование одномодового патч-кабеля на многомодовом оборудовании (или наоборот) — это обычно даёт полное отсутствие соединения или сильно ослабленное соединение, а не просто небольшое снижение производительности.
2. Полагание исключительно на цвет оболочки кабеля без проверки маркировки или документации, тогда как цветовые соглашения могут отличаться у разных производителей.
3. Применение многомодового волокна для соединения на большое расстояние просто потому, что оно уже имеется, без проверки, достаточно ли произведение полосы пропускания на расстояние для требуемой битовой скорости и длины.
4. Обращение с классами многомодового волокна (OM1-OM5) как со взаимозаменяемыми — соединение, корректно работающее с OM4 на определённом расстоянии и битовой скорости, может уже выйти за пределы спецификации с OM1 или OM2 на том же расстоянии.

Связанные материалы

• Линейная дифференциальная защита (87L) через волоконно-оптический канал
• Телезащита (85) — разрешающие/блокирующие схемы дистанционной защиты
• IEC 61850 и сообщения GOOSE — одноранговая связь защиты
• PoE (Power over Ethernet) — объединение кабелей в пучки и выделение тепла