Оптические технологии передачи данных стали прорывом в области телекоммуникаций и сетей передачи данных, требующих высокой скорости передачи. За последние несколько лет исследования привели к появлению систем, которые способны передавать данные на скорости 10 Гб/с и выше. Одним из основных преимуществ оптического кабеля является его способность передавать высокоскоростные оптические сигналы на большие расстояния. Эта статья посвящена оптическому кабелю, принципам, на которых он работает, а также основным блокам систем передачи данных по оптоволокну.

Волоконно-оптические технологии просто используют свет для передачи данных. Использование оптического кабеля началось примерно с 1970 года, когда удалось снизить издержки на производство оптического кабеля и связанных с этим затрат.

Использование оптического кабеля

Волоконно-оптические кабели используются в широком спектре приложений: начиная от медицинского зондирования, заканчивая высокоскоростными сетями передачи оборонных данных. Передача данных осуществляется с помощью оптических передатчиков, передающих высокоскоростные сигналы специальным оптическим приемникам. При этом происходит преобразование цифровых сигналов в оптические и наоборот. Скорость передачи данных по оптическому кабелю достигает 10 Гб/с.

На сегодняшний день существует два типа оптического кабеля: одномодовый (SM) и многомодовый (MM). В последнее время все чаще слышны заявления о том, что многомодовый является более перспективным, обеспечивая более чем стократное превосходство по производительности относительно одномодового оптического кабеля.

Самое активное использование оптического кабеля происходит в телекоммуникационной отрасли. Изначально телефонные компании использовали оптический кабель для передачи больших объемов голосового трафика между центральными телефонными станциями. С 1980-х годов телефонные компании приступили к развертыванию оптических сетей повсеместно.

Пропускная способность оптического кабеля является его наиболее важной и значимой характеристикой. Чем больше полоса пропускания, тем выше скорость передачи и тем больше трафик. Медь имеет весьма ограниченную полосу пропускания и серьезные ограничения на длину кабеля, что делает медную пару менее приемлемой для передачи высокоскоростных сигналов на большие расстояния.

Использование оптического кабеля дает следующие преимущества:

• Высокая полоса пропускания для передачи голоса или видеоизображения.
• Оптические волокна могут нести в тысячи раз больше информации, чем медная проволока. Например, всего одна прядь волокна может передавать все телефонные разговоры Америки в час пик.
• Оптический кабель легче чем медь примерно в 10 раз.
• Низкие потери. Чем выше частота сигнала, тем больше потерь в медной паре. Потери сигнала в оптическом кабеле одинаковы на всех частотах, за исключением сверхвысоких частот.
• Надежность - оптический кабель более надежен и имеет большее время жизни, чем медный кабель.
• Защищенность - оптические волокна не излучают электромагнитных полей, нечувствительны к помехам.

Физический механизм передачи оптических сигналов

В современном приложении оптические кабели подразделяются на многомодовые (MM) и одномодовые (SM), однако и те и другие базируются на одних и тех же принципах. Передача сигнала по оптическому кабелю возможна благодаря явлению, которое называется полным внутренним отражением. Благодаря этому возможна передача оптического сигнала на высокой скорости на большие расстояния.

Одномодовый оптический кабель или многомодовый?

SM и MM кабели различаются по своим размерам, что в свою очередь, влияет на проходящий по оптоволокну сигнал. SM кабели используют толщину основного волокна от 8 до 10 микрон, что позволяет передавать только одну длину волны. MM кабели, напротив, используют более толстое основное волокно примерно 50-60 микрон, что позволяет передавать несколько длин волн одновременно. В SM кабелях меньше величина затухания, что дает возможность использовать их на больших расстояниях. MM кабель позволяет передавать больше данных. Т.о. MM кабель обычно используется на небольших расстояниях, там где необходимо передавать данные с большой скоростью, например в системах хранилищ данных.

Строительные блоки волоконно-оптических систем

Типичная схема оптоволоконной системы состоит из передатчика, оптического кабеля и приемника. Передатчик преобразовывает цифровые электрические сигналы в оптические, которые дальше передаются по оптическому кабелю, обеспечивая высокую скорость передачи и независимость от электромагнитных помех.
Оптический кабель состоит из оптического волокна и двух разъемах на концах, обычно ST, SC, или FC, в зависимости от конфигурации приемника и передатчика.

Оптическое волокно состоит из центрального волокна толщиной несколько микрон, оболочки, которая обеспечивает полное оптическое отражение сигнала и внешней оплетки, которая обеспечивает защиту и идентификацию оптического кабеля.

Таким образом, строительство и эксплуатация волоконно-оптических систем является аппаратно-ориентированной на передачу сигнала на большие расстояния. Зачастую задача именно так и ставится: с помощью оптического кабеля передать с низким затуханием высокоскоростной сигнал на большое расстояние с приемлемым уровнем финансовых затрат.

Конструкция оптического кабеля

состоит из нескольких элементов. Оптический кабель состоит из нескольких элементов: из сердцевины, облицовки и внешнего покрытия. В основе оптического кабеля лежит сердцевина, по которой происходит передача световых сигналов. В основе сердцевины лежит кремний и германий. Оболочка, окружающая сердцевину оптического кабеля состоит из кремния и имеет коэффициент преломления несколько ниже центральной сердцевины. Показатель преломления - это отношение скорости света в вакууме к скорости света в материале. Скорость света в вакууме равна 300 000 000 метров в секунду. Чем выше показатель преломления, тем ниже скорость света в материале. Например, коэффициент преломления света в чистом воздухе равен 1, что означает скорость света в воздухе 300 000 км/c. Коэффициент преломления в стекле 1,5, что означает скорость света в стекле 200 000 км/c.

Несколько слоев буферных обшивок защищают центральную жилу. Защита служит для уменьшения физических нагрузок на кабель, таких как растяжение, изгиб и т.п. Наружная оплетка защищает от внешних воздействий, таких как экологические (температура, влажность, агрессивная среда).

Для соединения оптического кабеля наиболее часто используется SC коннекторы. SC коннектор обеспечивает наибольшую плотность упаковки. Системные администраторы должны учитывать особенности оптического кабеля и активного оборудования для выбора соответствующего типа коннектора.

Типы оптического кабеля

Одномодовый оптический кабель имеет очень маленькую сердцевину как правило 8-10 микрон, что позволяет передавать световые сигналы без устройств повторения на расстояния до 80 км, в зависимости от типа оборудования. SC оптический кабель обладает огромным информационным потенциалом из-за того, что имеет практически неограниченную пропускную способность.

Многомодовый может передавать несколько световых волн, он имеет более толстую сердцевину размером около 50 или 62,5 микрон. Из-за дисперсии многомодовый оптический кабель имеет большее затухание.

Оптика

Любая оптическая система состоит из трех компонентов: передатчика, среднего (волокно кабеля) и приемника. Передатчик преобразует электрические сигналы в свет и направляет его по волокну. Приемник получает световой сигнал и преобразует его в электрический
сигнал. Существуют два вида передатчиков: лазерного диод либо светодиод.

Выходная мощность передатчика указывает на количество энергии, излучаемой в определенный квант времени. Чем выше мощность, тем больше расстояние передачи сигнала. Передатчик имеет возможность изменять скорость передачи для удовлетворения потребности в пропускной способности системы. Диапазон длин волн, излучаемых источником сигнала находится в спектральной ширине.

Приемопередатчики отличаются чувствительностью к состоянию окружающей среды. Лазерный диод требует стабильного напряжения и температуры. Светодиоды являются менее чувствительны к колебаниям окружающей среды. Лазерные диоды являются более дорогостоящими. Светодиодные оптические источники имеют меньшее время жизни, но их легче устанавливать и они более экономичные.

Заключение

Несмотря на то, что развитие использования оптического кабеля началось в телекоммуникационной среде, сегодня это уже обычное дело. Многие компании и промышленные предприятия воспользовались оптоволоконными системами для увеличения производительности своих . Один из вопросов, с которым сталкиваются некоторые предприятия заключается в том, чтобы подключить к оптоволоконной системе имеющееся оборудование и инфраструктуру без дорогих обновлений. Используя медиаконвертеры, позволяющие соединять обычные сетевые каналы на базе медной витой пары и оптоволокна, возможно подключить практически любое сетевое оборудование. Медиаконвертеры предназначены для облегчения перехода на использование оптического кабеля, сводя к минимуму затраты на устранение возникающих проблем.

Внимание! Копирование и перепечатка информации с этого сайта запрещены без письменного согласия администрации.

В журнале Nature Photonics опубликовано описание новой технология передачи данных по оптоволокну на скорости до 26 Тбит/с вместо нынешних максимальных 1,6 Тбит/с.

Группа немецких инженеров под руководством профессора Вольфганга Фройде (Wolfgang Freude) из университета Карлсруэ применила в оптоволокне технику OFDM (ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием), которая широко используется в беспроводной связи (802.11 и LTE), цифровом телевидении (DVB-T) и ADSL.

В оптоволокне использовать OFDM сложнее, ведь тут нужно разделить на поднесущие световой поток. Раньше единственным способом сделать это было использование отдельного лазера для каждой поднесущей.

Сравнение разных видов мультиплексирования

Для вещания на каждой частоте используется отдельный лазер и отдельный приёмник, так что в одном оптоволоконном канале одновременно могут передавать сигнал сотни лазеров. По словам профессора Фройде, общая пропускная способность канала ограничена только количеством лазеров. «Уже был проведён эксперимент и продемонстрирована скорость 100 терабит/с», - сказал он в интервью BBC. Но для этого пришлось использовать около 500 лазеров, что само по себе очень дорого.

Фройде с коллегами разработали технологию передачи по оптоволокну более 300 поднесущих разного цвета одним-единственным лазером, который работает короткими импульсами. Здесь проявляется интересный феномен под названием оптический частотный гребень . Каждый маленький импульс «размазывается» по частотам и времени, так что приёмник сигнала с помощью хорошего тайминга теоретически может обработать каждую частоту по отдельности.

После нескольких лет работы немецким исследователям всё-таки удалось найти правильный тайминг, подобрать подходящие материалы и осуществить на практике обработку каждой поднесущей с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ). Преобразование Фурье - операция, сопоставляющая функции вещественной переменной другую функцию вещественной переменной. Эта новая функция описывает коэффициенты при разложении исходной функции на элементарные составляющие - гармонические колебания с разными частотами.

БПФ идеально подходит для разложения света по поднесущим. Оказалось, что из обычного импульса можно извлечь в совокупности около 350 цветов (частот), и каждый из них используется в качестве отдельной поднесущей, как и в традиционной технике OFDM. В прошлом году Фройде с коллегами провели эксперимент и на практике показали скорость 10,8 терабит/с , а сейчас ещё больше усовершенствовали точность распознавания частот.

По словам Фройде, разработанная им технология тайминга и БПФ вполне может быть реализована в микросхеме и найти коммерческое применение.

ЭТИ СОВЕТЫ ПОМОГУТ СЭКОНОМИТЬ ВАМ ВРЕМЯ И НЕРВЫ

Спросите администратора сети, что он думает о волоконно-оптических технологиях, и вы, скорее всего, услышите, что они очень дороги, сложны и требуют постоянного внимания. Реальность же выглядит совершенно по-другому: оптоволокно недорого, чрезвычайно надежно и обеспечивает любые мыслимые скорости передачи данных. Если вам приходилось работать с UTP Категории 5 или даже с коаксиалом, то вы без труда освоитесь с волоконно-оптическими технологиями.

Такая область, как волоконно-оптические технологии, слишком обширна для одной статьи. Поэтому сосредоточим свое внимание исключительно на доводах в пользу применения оптоволокна в вашей сети. Затем мы коснемся топологии сети, спецификаций, числа волокон, соединителей, панели переключений и квантования и, наконец, вкратце расскажем об устройствах для тестирования оптоволокна.

ПОЧЕМУ ОПТОВОЛОКНО?

Зачем вместо медного кабеля надо прокладывать оптоволокно? Оптический кабель может передавать данные с очень высокой пропускной способностью. Оптоволокно обладает отличными трансмиссионными характеристиками, высокой емкостью передаваемых данных, потенциалом для дальнейшего увеличения пропускной способности и устойчивостью к электромагнитным и радиочастотным помехам.

Световод состоит из сердцевины и защитного стеклянного внешнего слоя (оболочки). Оболочка служит в качестве отражающего слоя, с помощью которого световой сигнал удерживается внутри сердцевины. Оптический кабель может состоять только из одного световода, но на практике он содержит множество световодов. Световоды уложены в мягкий защитный материал (буфер), а он, в свою очередь, защищен жестким покрытием.

В широкораспространенных световодах диаметр оболочки составляет 125 микрон. Размер сердцевины в распространенных типах световодов составляет 50 микрон и 62,5 микрон для многомодового оптоволокна и 8 микрон для одномодового оптоволокна. Вобщем-то, световоды характеризуются соотношением размеров сердцевины и оболочки, например 50/125, 62,5/125 или 8/125.

Световые сигналы передаются через оптоволокно и принимаются электронным оборудованием на другом конце кабеля. Это электронное оборудование, называемое оконечным оборудованием волоконно-оптической линии связи, преобразует электрические сигналы в оптические, и наоборот. Одно из преимуществ оптоволокна, кстати, состоит в том, что пропускную способность сети на базе оптоволокна можно увеличить простой заменой электронного оборудования на обоих концах кабеля.

Многомодовое и одномодовое оптоволокно отличаются емкостью и способом прохождения света. Наиболее очевидное отличие заключается в размере оптической сердцевины световода. Более конкретно, многомодовое волокно может передавать несколько мод (независимых световых путей) с различными длинами волн или фазами, однако больший диаметр сердцевины приводит к тому, что вероятность отражения света от внешней поверхности сердцевины повышается, а это чревато дисперсией и, как следствие, уменьшением пропускной способности и расстояния между повторителями. Грубо говоря, пропускная способность многомодового оптоволокна составляет около 2,5 Гбит/с. Одномодовое оптоволокно передает свет только с одной модой, однако меньший диаметр означает меньшую дисперсию, и в результате сигнал может передаваться на большие расстояния без повторителей. Проблема в том, что как само одномодовое оптоволокно, так и электронные компоненты для передачи и приема света стоят дороже.

Одномодовое волокно имеет очень тонкую сердцевину (диаметром 10 микрон или менее). Из-за малого диаметра световой пучок отражается от поверхности сердцевины реже, а это ведет к меньшей дисперсии. Термин "одномодовый" означает, что такая тонкая сердцевина может передавать только один световой несущий сигнал. Пропускная способность одномодового оптоволокна превышает 10 Гбит/с.

ФИЗИЧЕСКАЯ ТОПОЛОГИЯ СЕТИ

Волоконно-оптическая проводка, как и проводка UTP, имеет физическую и логическую топологии. Физическая топология - это схема проводки оптического кабеля между зданиями и внутри каждого здания для создания основы гибкой логической топологии.

Одним из наилучших, если не самым лучшим, источником практической информации по физической проводке кабелей является руководство BISCI Telecommunications Distribution Method (TDM) за 1995 год. TDM представляет основу для формирования топологии сети с проводкой из оптического кабеля в соответствии с принятыми стандартами.

TDM и стандарт на связную проводку для коммерческих зданий (ANSI/TIA/EIA-568A) рекомендуют физическую топологию типа звезда для соединения между собой волоконно-оптических магистралей как внутри, так и вне зданий. Конечно, физическая топология во многом определяется взаимным расположением и внутренней планировкой зданий, а также наличием готовых кабелепроводов. Несмотря на то что иерархическая звездообразная топология обеспечивает наибольшую гибкость, она может оказаться невыгодной по чисто финансовым соображениям. Но даже физическое кольцо лучше, чем вообще отсутствие оптической кабельной магистрали.

ЧИСЛО ВОЛОКОН И ГИБРИДНЫЕ КАБЕЛИ

Число световодов в кабеле называется числом волокон. К сожалению, ни один опубликованный стандарт не определяет, сколько световодов должно быть в кабеле.

Поэтому проектировщик должен сам решить, сколько световодов будет в каждом кабеле и сколько из них будет одномодовыми.

Оптический кабель, в котором одна часть световодов одномодовые, а другая - многомодовые, называется гибридным. При выборе числа волокон и комбинации одномодовых и многомодовых волокон помните, что производители оптического кабеля, как правило, изготовляют кабели с числом волокон кратным 6 или 12. Кабели, производимые на продажу, обычно гораздо дешевле кабелей, сделанных на заказ, с уникальным числом и комбинацией волокон.

Общее правило же таково: волокон в кабеле между зданиями должно быть столько, сколько ваш бюджет позволяет. Но, все же, каков практический минимум для числа волокон? Посчитайте, сколько волокон вам нужно для поддержки приложений с первого же дня, а затем умножьте это число на два, и вы получите необходимый минимум. Например, если вы собираетесь задействовать в кабеле между двумя зданиями 31 волокно, то надо округлить это число до ближайшего кратного шести (в большую сторону), что равняется 36. В нашей гипотетической ситуации потребуется кабель по крайней мере с 72 волокнами.

Следующий параметр, который вы должны принять во внимание, - это соотношение между одномодовыми и многомодовыми световодами в кабеле. Обычно мы рекомендуем, чтобы 25% световодов в кабеле были одномодовыми. Продолжая пример с 72 волокнами, мы имеем 18 одномодовых и 54 многомодовых световодов.

Если вы привыкли к UTP, то 72 волокна могут показаться вам слишком большим числом. Однако помните, что цена кабеля с 72 волокнами отнюдь не вдвое больше цены кабеля с 36 волокнами. В действительности, он стоит всего лишь на 20% дороже кабеля с 32 волокнами. Кроме того, помните, что затраты и сложность прокладки кабеля с 72 волокнами практически такие же, как и у кабеля с 36 волокнами, а дополнительные волокна могут вполне пригодиться вам в будущем.

СПЕЦИФИКАЦИИ НА ОПТОВОЛОКНО

Спецификаций на оптоволокно существует сотни, они охватывают все возможные аспекты - от физических размеров до пропускной способности, от плотности на разрыв до цвета защитного материала. Защитный материал (буфер) предохраняет световод от повреждения, и он обычно маркируется разным цветом для простоты идентификации. Практические параметры, которые необходимо знать, - это длина, диаметр, оптическое окно (длина волны), затухание, пропускная способность и качество волокна.

В спецификациях на оптоволокно длина указывается в метрах и километрах. Однако мы настоятельно рекомендуем, чтобы в спецификациях для продавца или производителя вы указывали длину не только в метрах/километрах, но и футах/милях (2 км равняется 1,3 мили).

При получении заказанного оптического кабеля проверьте, что поставляемый кабель имеет нужную длину. Например, если вам нужен один 600-футовый и два 700-футовых кабеля, что в сумме дает 2000 футов, а вы получаете две катушки с 1000-футовым кабелем, то после прокладки одного 600-футового и 700-футового кабеля останетесь с одним 300-футовым и одним 400-футовым кабелями, но они не смогут заменить вам еще один необходимый 700-футовый кабель. Во избежание этой проблемы следует заказать специально три куска кабеля: один 650-футовый и два 750-футовых. Допуск в 50 футов может пригодиться, если вы, например, неправильно оценили протяженность кабельных каналов. Кроме того, на случай, скажем, перестановки стойки с оборудованием в пределах комнаты приобретение дополнительной катушки кабеля для комнаты с оконечным оборудованием вполне оправдано.

Многомодовое оптоволокно может быть нескольких диаметров, но наиболее распространено из них оптоволокно с соотношением сердцевины к оболочке 62,5 на 125 микрон. Именно это многомодовое оптоволокно мы будем использовать во всех примерах данной статьи. Размер 65,2/125 называется в спецификации ANSI/TIA/

EIA-568A стандартным для проводки в зданиях. Одномодовое оптоволокно имеет один стандартный размер - 9 микрон (плюс-минус один микрон). Помните, если ваше оконечное оборудование волоконно-оптических линий связи предусматривает применение оптоволокна специального диаметра и вы собираетесь и дальше его использовать, то, скорее всего, оно не будет работать с оптоволокном обычного диаметра.

Оптическое окно - это длина световой волны, которую волокно передает с наименьшим затуханием. Длина волны измеряется обычно в нанометрах (нм). Самые распространенные значения длины волны - 850, 1300, 1310 и 1550 нм. Большинство волокон имеет два окна - т. е. свет может передаваться на двух длинах волн. Для многомодовых световодов это 850 и 1310 нм, а для одномодовых - 1310 и 1550 нм.

Затухание характеризует величину потери сигнала и аналогично сопротивлению в медном кабеле. Затухание измеряется в децибелах на километр (дБ/км). Типичное затухание для одномодового волокна составляет 0,5 дБ/км при длине волны в 1310 нм и 0,4 дБ/км при 1550 нм. Для многомодового волокна эти величины равны 3,0 дБ/км при 850 нм и 1,5 дБ/км при 1300 нм. Благодаря тому, что оно тоньше, одномодовое волокно позволяет передавать сигнал с тем же затуханием на более дальние расстояния, чем эквивалентное многомодовое волокно.

Заметим, однако, что спецификацию на кабели надо составлять исходя из максимально допустимого затухания (т. е. наихудшего сценария), а не типичной величины потерь. Так, максимальная величина затухания при указанных длинах волн для одномодового 1,0/0,75 дБ/км и 3,75/1,5 дБ/км для многомодового. Чем шире оптическое окно, т. е. чем длиннее волна, тем меньше затухание для кабелей обоих типов. Спецификация затухания может выглядеть, например, так: максимальное затухание одномодового волокна должно быть 0,5 дБ/км при окне 1310 нм или максимальное затухание многомодового волокна должно быть 3,75/1,5 дБ/км для оптического окна 850/1300 нм.

Пропускная способность или емкость данных, передаваемых по световоду, обратно пропорциональна затуханию. Иными словами, чем меньше затухание (дБ/км), тем шире полоса пропускания в МГц. Минимально допустимая пропускная способность для многомодового волокна должна быть 160/500 МГц при 850/1300 нм при максимальном затухании 3,75/1,5 дБ/км. Эта спецификация отвечает требованиям FDDI и TIA/EIA-568 для Ethernet и Token Ring.

Волокно может быть трех различных типов в зависимости от необходимых характеристик оптической передачи: стандартное, высококачественное и премиумное. Волокно более высокого качества используется обычно для удовлетворения более жестких требований к протяженности кабеля и затуханию сигнала.

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СОЕДИНИТЕЛИ

Типов соединителей столько, сколько производителей оборудования. Рекомендуемым типом соединителей согласно спецификации ANSI/TIA/EIA-568A на связную проводку для коммерческих зданий является двойной защелкивающийся SC-соединитель, однако наиболее часто используемым типом соединителя в панелях переключений стал ST-совместимый штыковидный соединителей по технологии AT&T. Ввиду широкой распространенности ST-совместимых волоконно-оптических соединителей стандарт 568A, несмотря на их нестандартность, предусматривает их применение.

Если вы только собираетесь прокладывать волоконно-оптические кабели, то мы рекомендуем использовать двусторонние SC-соединители, поскольку их применение позволяет гарантировать правильную полярность волокон при их прохождении через панель переключений.

Несмотря на стандартность соединителей для панели переключений вы наверняка столкнетесь со множеством волоконно-оптических соединителей в оконечном оборудовании. Производители такого оборудования могут предлагать различные варианты соединителей для обеспечения их стандартизации, но, когда доходит до дела, следует ожидать самого худшего. Если соединитель на оконечном оборудовании не соответствует соединителю на панели переключений, то вам придется покупать двустороннюю перемычку с требуемыми соединителями.

ПАНЕЛЬ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЙ

Мы настоятельно рекомендуем применять панели переключений для завершения оптических кабелей внутри и между зданиями. Производители предлагают самые разные панели, но вне зависимости от того, какие панели вы используете, все они должны применять в них только один тип соединителей. Если у вас есть возможность, то те же соединители следует использовать и в оконечном оборудовании.

При выборе панели переключений помните о человеческом факторе. Иметь на площади 7 на 18 дюймов 72 соединителя для волоконного кабеля хорошо, пока инженеру не придется искать в этом частоколе нужный, чтобы его вынуть. Понятно, что хорошо бы снять один, не трогая остальных. Но сможете ли вы протиснуть пальцы между оставшимися 71?

Муфты, перемычки или рукава обеспечивают соединение между двумя волоконно-оптическими соединителями, и они используются в панелях переключений для подключения кабельной проводки.

СРАЩИВАНИЕ ВОЛОКОН

Сращивание кабелей - процедура неизбежная. Наиболее распространены два метода сращивания: механическое сращивание и сплавка, каждый из которых имеет своих верных сторонников. При механическом сращивании концы волокон соединяются друг с другом с помощью зажима, при сплавке концы волокон запаиваются вместе.

Начальные затраты на оборудование для сплавки волокон могут быть весьма значительными, но в результате вы получите практически не распознаваемое рефлектометром сращивание. Механическое сращивание близкого качества может быть получено с использованием геля, но все же оно хуже.

Неудачное сращивание многомодового волокна имеет меньшие последствия, нежели одномодового, потому что пропускная способность сигнала, передаваемого по многомодовому волокну, ниже и не так чувствительна к отражениям в результате механического сращивания. Если приложение чувствительно к отражениям, в качестве метода сращивания необходимо применять сплавку.

ТЕСТОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Если уж вы собрались делать проводку из оптического кабеля, то тогда не поскупитесь приобрести и измеритель мощности светового сигнала. Такие измерители нуждаются в калибровке для обеспечения точности замера уровня мощности сигнала на волне данной длины. Измерители старшего класса позволяют при замерах мощности выбирать длину волны.

Чтобы генерировать световой сигнал для замера, вам нужен источник световой волны соответствующей длины. Этот источник, как можно было бы ожидать, генерирует свет с известной длиной волны и уровнем мощности. Проверьте, что источник света излучает свет с той же длиной волны, что и оконечное оборудование, ведь если это не так, то измеренные оптические потери не будут соответствовать действительным оптическим потерям конечной волоконно-оптической системы.

При прокладке кабеля вам не обойтись без рефлектометра OTDR. Если вы не можете приобрести OTDR, то арендуйте или займите его на время прокладки. OTDR поможет вам определить характеристики волокна с их графическим представлением. OTDR можно воспринимать как оптический радар: он посылает оптические импульсы, а затем измеряет время и амплитуду отраженного сигнала. Помните, однако, что хотя такие рефлектометры и позволяют измерить величину затухания в дБ, эта величина, как показывает опыт, не очень точна. Для измерения затухания вы должны использовать измеритель мощности светового сигнала и источник с известной длиной волны.

Наконец, адаптеры для оголенного волокна служат для временного соединения с тестовым оборудованием. Они обеспечивают быстрое соединение и рассоединение оголенного конца волокна с тестовым оборудованием. Эти адаптеры присутствуют в разных оптических соединителях; не обеспечивая точного сопряжения волокна, они тем не менее позволяют перед заделкой в оптические соединители проложенных сегментов кабеля проверять их с помощью OTDR.

НАПОСЛЕДОК

Нашей целью было познакомить профессионалов из мира компьютерных сетей с волоконно-оптической технологией. Этим, однако, проблемы с волоконной оптикой не исчерпываются, - остаются, например, радиус изгиба, материалы для изготовления кабеля, выбор оконечного оборудования. Но если мы убедили вас в том, что мир оптического кабеля не так уж сильно отличается от более привычного мира коаксиала и витой пары, то наша задача выполнена.

С Джеймсом Джонсом можно связаться по адресу: [email protected] .

Внимание! Никогда не смотрите непосредственно в волокно! Уважайте оптические приемопередатчики! Передаваемые по оптоволокну световые волны не видимы для человеческого глаза, но они могут необратимо повредить сетчатку глаз.

Внимание! Обрезки волокна, образующиеся при сращивании волокон, представляют собой осколки стекла. Эти мелкие, практически невидимые обрезки могут повредить кожу или попасть в глаз. Собрать их поможет клейкая двусторонняя лента.

Внимание! Следите за огнем во время сращивания волокон. При зачистке волокон обычно используется спирт, а он легко воспламеняется, и, кроме того, горение бесцветно!

Документируйте тестирование оптоволокна. Тесты, проводимые во время прокладки кабеля, дают очень ценные данные. На случай возникновения проблем в будущем сохраните копии измерений потерь и волновых форм.

Затухание сигнала. Установите и запишите затухание каждого волокна на используемой длине волны. Если оконечное оборудование работает с волной 780 нм, то затухание надо проверить на 780 нм - затухание на 850 нм будет отличаться от искомого.

Число волокон. Число волокон в кабеле между зданиями и внутри зданий должно быть максимально возможным.

Четырехкратный допуск на мощность. Делайте допуск по крайней мере в 2 дБ на оптическое затухание по оптоволокну и даже, если это позволяет бюджет, больше.

Не курите. Не курите во время сращивания волокон.

Описание оптической линии. Составьте описание оптического канала из конца в конец, включая мощность оптического излучения при передаче, оптические потери, местоположение панели переключений, тип соединителя для каждого соединения и мощность оптического излучения при приеме.

Соединители для одномодового волокна. Если вы используете как одномодовое, так и многомодовое волокно в кабельной проводке, то одномодовые соединители и муфты следует держать отдельно от многомодовых. Во-первых, одномодовые компоненты обходятся дороже. А во-вторых, многомодовый компонент, установленный вместо одномодового, не так-то просто обнаружить даже с помощью специальных приборов.

Топология "звезда". По возможности, физическая проводка должна иметь топологию "звезда".

Местоположение переходов Tx/Rx. Местоположение переходов Tx/Rx необходимо отметить в описании линии. Соединение Tx/Tx на оконечном оборудовании эквивалентно обрезке волокна: оно не работает.

Использование волокна 62,5/125. Для внутренних приложений наиболее предпочтительно применение многомодового волокна 62,5/125 микрон, к тому же оно рекомендовано стандартом ANSI/TIA/EIA/-568A.

Без сомнения, оптоволоконная технология станет в будущем главным средством передачи информации. Она является одной из причин массового роста международных телекоммуникаций и эффекта "сжатия планеты". На основе этой технологии Интернет смог стать тем неоценимым информационным средством, каким он сегодня является. Однако вопреки распространенному мнению, это не панацея. У оптоволоконных систем все еще есть множество ограничений и препятствий, которые надо преодолеть. Перед тем как начать обсуждать теорию оптоволоконной передачи, сравним традиционные и оптоволоконные кабели и оценим их достоинства и недостатки.

1.2.1. Полоса пропускания

Оптоволокно

Сегодня у оптоволоконных кабелей огромная полоса пропускания со скоростями передачи до 40 Гбит/с, действующими уже сегодня, и свыше 100 Гбит/с, ожидающимися в ближайшем будущем. Факторами, ограничивающими рост скоростей передачи, в настоящее время являются: во-первых, большое по сравнению с периодами импульсов время ответа источников и детекторов для высоких скоростей передачи данных; во-вторых, близость длины волны света к периоду импульса, вызывающая проблемы дифференцирования в детекторах. Методы мультиплексирования нескольких длин волн в одном волокне (называемые спектральным уплотнением (WDM, wave division multiplexing) увеличивают общую скорость передачи по одному волокну до нескольких Тбит/с.

Следующее сравнение позволит почувствовать, что это означает в терминах передачи информации: при оптоволоконной связи на скорости примерно 1 Гбит/с можно одновременно передавать свыше 30 ООО сжатых телефонных разговоров. При связи на скорости 30 Гбит/с можно одновременно передавать до 1 миллиона телефонных разговоров по единственному стеклянному волокну!

Кабели

Коаксиальные кабели диаметром до 8 см могут обеспечить скорости передачи до 1 Гбит/с на расстояниях до 10 км. Ограничивающим фактором является очень высокая стоимость меди.

В настоящее время продолжается важное исследование по увеличению скорости передачи через кабели с витыми парами. Сегодня во многих локальных сетях скорости 100 Мбит/с являются вполне обычными. Доступны также коммерческие системы, действующие на скоростях до 1 Гбит/с. После успешных лабораторных испытаний на скоростях 10 Гбит/с соответствующая продукция готовится к коммерческому выпуску. Причина такой активной деятельности в этой области кроется в избытке инфраструктуры с уже, установленными кабелями с витой парой, что позволяет значительно сэкономить на рытье траншей, прокладке каналов и укладке новых оптоволоконных кабелей. По этой причине технология кабелей с витой парой в настоящее время успешно конкурирует с оптоволоконной технологией, поскольку обе они имеют множество общих приложений.

1.2.2. Помехи

Оптоволокно

На оптоволоконные кабели совершенно не воздействуют электромагнитные помехи (EMI), радиочастотные помехи (RFI), молнии и скачки высокого напряжения. Они не страдают от проблем емкостных или индуктивных сопряжений. При правильном проектировании на оптоволоконные кабели не должны воздействовать электромагнитные импульсы от ядерных взрывов и фоновой радиации. (Это известие утешит большую часть населения после ядерной войны!)

В дополнение к этому факту оптоволоконные кабели не создают никаких электромагнитных или радиочастотных помех. Это свойство очень ценно для производства вычислений, обработки видео- и аудиоинформации, где все более важным для возросшего качества воспроизведения и записи становится окружение с низким шумом.

Кабели

На обычные кабели влияют внешние помехи. В зависимости от типов кабелей и степеней их экранирования, они в разной степени подвержены электромагнитным и радиопомехам через индуктивные, емкостные и резистивные связи. Системы связи на основе традиционных кабелей полностью выходят из строя под действием электромагнитных импульсов ядерных взрывов.

Обычные кабели также излучают электромагнитные волны, что может вызвать помехи в других кабельных системах связи. Объем излучения зависит от величины передаваемого сигнала и качества экрана.

1.2.5. Электроизоляция

Оптоволокно

Оптоволоконные кабели обеспечивают полную гальваническую развязку между обоими концами кабеля. Непроводимость волокон делает кабели нечувствительными к скачкам напряжения. Это устраняет электромагнитные и эфирные помехи, которые могут быть вызваны контурами заземления, синфазными напряжениями, а также смещениями и короткими замыканиями потенциала земли. Оптоволоконный кабель действует как длинный изолятор. Поскольку оптические волокна не излучают волны и не подвержены помехам, еще одним их преимуществом является отсутствие взаимного влияния кабелей (то есть воздействия излучения одного кабеля связи на другой, проложенный рядом с ним).

Кабели

Традиционные кабели, просто работая по своему предназначению, предоставляют электрическое соединение между своими концами. Следовательно, они восприимчивы к электромагнитным и эфирным помехам от контуров заземления, синфазных напряжений и смещений потенциала земли. Они также подвержены проблемам взаимного влияния.

1.2.4. Расстояния передачи

Оптоволокно

Для простых дешевых оптоволоконных систем возможны расстояния между повторителями до 5 км. Для высококачественных коммерческих систем теперь без труда доступны расстояния между "повторителями до 300 км. Были разработаны системы (без использования повторителей) на расстояния до 400 км. В лабораторных условиях достигнуты расстояния, близкие к 1000 км, но на рынке они пока недоступны. Одна европейская компания заявила, что в настоящее время разрабатывает оптоволоконный кабель, который можно проложить вдоль земного экватора и без всяких повторителей по нему можно будет передавать4сигнал с одного его конца на другой! Как такое возможно? При использовании слегка радиоактивной оболочки входящие фотоны с низкой энергией возбуждают в этой оболочке электроны, которые, в свою очередь, излучают фотоны с большей энергией. Таким образом возникает некоторая форма автоусиления. В следующих главах читателю будут разъяснены использованные термины.

Кабели

На рынке кабелей с витой парой на скорости передачи 4 Мбит/с доступны расстояния между повторителями до 2,4 км. В случае коаксиальных кабелей на скоростях менее 1 Мбит/с между повторителями возможны расстояния до 25 км.

1.2.5. Размер и вес

Оптоволокно

По сравнению со всеми другими кабелями для передачи жданных, оптоволоконные кабели очень малы в диаметре и чрезвычайно легки. Четырехжильный оптоволоконный кабель весит примерно 240 кг/км, а 36-основный оптоволоконный кабель весит примерно лишь на 3 кг больше. Из-за своих небольших по сравнению с традиционными кабелями с такой же пропускной способностью размеров их обычно проще устанавливать в существующих условиях, а время установки и стоимость в общем ниже, поскольку они легки и с ними проще работать.

Кабели

Традиционный кабель может весить от 800 кг/км для кабеля с 36 витыми парами до 5 т/км для высококачественного коаксиального кабеля большого диаметра.

Состоит оптоволокно из центрального проводника света (сердцевины) - стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла – оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В оптоволокне световой луч обычно формируется полупроводниковым или диодным лазером. В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника оптоволокно подразделяется на одномодовое и многомодовое.

Рынок оптоволоконной продукции в России

История

Волоконная оптика хоть и является повсеместно используемым и популярным средством обеспечения связи, сама технология проста и разработана достаточно давно. Эксперимент с переменой направления светового пучка путем преломления был продемонстрирован Даниелем Колладоном (Daniel Colladon) и Жаком Бабинеттом (Jacques Babinet) еще в 1840 году. Спустя несколько лет Джон Тиндалл (John Tyndall) использовал этот эксперимент на своих публичных лекциях в Лондоне, и уже в 1870 году выпустил труд, посвященный природе света. Практическое применение технологии нашлось лишь в ХХ веке. В 20-х годах прошлого столетия экспериментаторами Кларенсом Хаснеллом (Clarence Hasnell) и Джоном Бердом (John Berd) была продемонстрирована возможность передачи изображения через оптические трубки. Этот принцип использовался Генрихом Ламмом (Heinrich Lamm) для медицинского обследования пациентов. Только в 1952 году индийский физик Нариндер Сингх Капани (Narinder Singh Kapany) провел серию собственных экспериментов, которые и привели к изобретению оптоволокна. Фактически им был создан тот самый жгут из стеклянных нитей, причем оболочка и сердцевина были сделаны из волокон с разными показателями преломления. Оболочка фактически служила зеркалом, а сердцевина была более прозрачной – так удалось решить проблему быстрого рассеивания. Если ранее луч не доходил да конца оптической нити, и невозможно было использовать такое средство передачи на длительных расстояниях, то теперь проблема была решена. Нариндер Капани к 1956 году усовершенствовал технологию. Связка гибких стеклянных прутов передавала изображение практически без потерь и искажений.

Изобретение в 1970 году специалистами компании Corning оптоволокна, позволившего без ретрансляторов продублировать на то же расстояние систему передачи данных телефонного сигнала по медному проводу, принято считать переломным моментом в истории развития оптоволоконных технологий. Разработчикам удалось создать проводник, который способен сохранять не менее одного процента мощности оптического сигнала на расстоянии одного километра. По нынешним меркам это достаточно скромное достижение, а тогда, без малого 40 лет назад, - необходимое условие для того, чтобы развивать новый вид проводной связи.

Первоначально оптоволокно было многофазным, то есть могло передавать сразу сотни световых фаз. Причём повышенный диаметр сердцевины волокна позволял использовать недорогие оптические передатчики и коннекторы. Значительно позже стали применять волокно большей производительности, по которому можно было транслировать в оптической среде лишь одну фазу. С внедрением однофазного волокна целостность сигнала могла сохраняться на большем расстоянии, что способствовало передаче немалых объёмов информации.

Самым востребованным сегодня является однофазное волокно с нулевым смещением длины волны. Начиная с 1983 года оно занимает ведущее положение среди продуктов оптоволоконной индустрии, доказав свою работоспособность на десятках миллионов километров.

Преимущества оптоволоконного типа связи

• Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей. Это означает, что по оптоволоконной линии можно передавать информацию со скоростью порядка 1 Тбит/с;
• Очень малое затухание светового сигнала в волокне, что позволяет строить волоконно-оптические линии связи длиной до 100 км и более без регенерации сигналов;
• Устойчивость к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем, электрического оборудования (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.) и погодных условий;
• Защита от несанкционированного доступа. Информацию, передающуюся по волоконно-оптическим линиям связи, практически нельзя перехватить неразрушающим кабель способом;
• Электробезопасность. Являясь, по сути, диэлектриком, оптическое волокно повышает взрыво- и пожаробезопасность сети, что особенно актуально на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска;
• Долговечность ВОЛС - срок службы волоконно-оптических линий связи составляет не менее 25 лет.

Недостатки оптоволоконного типа связи

• Относительно высокая стоимость активных элементов линии, преобразующих электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы;
• Относительно высокая стоимость сварки оптического волокна. Для этого требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование. Как следствие, при обрыве оптического кабеля затраты на восстановление ВОЛС выше, чем при работе с медными кабелями.

Элементы волоконно-оптической линии

• Оптический приёмник

Оптические приёмники обнаруживают сигналы, передаваемые по волоконно-оптическому кабелю и преобразовывают его в электрические сигналы, которые затем усиливают и далее восстанавливают их форму, а также синхросигналы. В зависимости от скорости передачи и системной специфики устройства, поток данных может быть преобразован из последовательного вида в параллельный.

• Оптический передатчик

Оптический передатчик в волоконно-оптической системе преобразовывает электрическую последовательность данных, поставляемых компонентами системы, в оптический поток данных. Передатчик состоит из параллельно-последовательного преобразователя с синтезатором синхроимпульсов (который зависит от системной установки и скорости передачи информации в битах), драйвера и источника оптического сигнала. Для оптических систем передачи могут быть использованы различные оптические источники. Например, светоизлучающие диоды часто используются в дешёвых локальных сетях для связи на малое расстояние. Однако, широкая спектральная полоса пропускания и невозможность работы в длинах волны второй и третьей оптических окон, не позволяет использовать светодиод в системах телесвязи.

• Предусилитель

Усилитель преобразовывает асимметричный ток от фотодиодного датчика в асимметричное напряжение, которое усиливается и преобразуется в дифференциальный сигнал.

• Микросхема cинхронизации и восстановления данных

Эта микросхема должна восстанавливать синхросигналы от полученного потока данных и их тактирование. Схема фазовой автоподстройки частоты, необходимая для восстановления синхроимпульсов, также полностью интегрирована в микросхему синхронизации и не требует внешних контрольных синхроимпульсов.

• Блок преобразования последовательного кода в параллельный

• Параллельно-последовательный преобразователь

• Лазерный формирователь

Основной его задачей является подача тока смещения и модулирующего тока для прямого модулирования лазерного диода.

• Оптический кабель , состоящий из оптических волокон, находящихся под общей защитной оболочкой.

Одномодовое волокно

При достаточно малом диаметре волокна и соответствующей длине волны через световод будет распространяться единственный луч. Вообще сам факт подбора диаметра сердечника под одномодовый режим распространения сигнала говорит о частности каждого отдельного варианта конструкции световода. То есть под одномодовостью следует понимать характеристики волокна относительно конкретной частоты используемой волны. Распространение лишь одного луча позволяет избавиться от межмодовой дисперсии, в связи с чем одномодовые световоды на порядки производительнее. На данный момент применяется сердечник с внешним диаметром около 8 мкм. Как и в случае с многомодовыми световодами, используется и ступенчатая, и градиентная плотность распределения материала.

Второй вариант более производительный. Одномодовая технология более тонкая, дорогая и применяется в настоящее время в телекоммуникациях. Оптическое волокно используется в волоконно-оптических линиях связи, которые превосходят электронные средства связи тем, что позволяют без потерь с высокой скоростью транслировать цифровые данные на огромные расстояния. Оптоволоконные линии могут как образовывать новую сеть, так и служить для объединения уже существующих сетей - участков магистралей оптических волокон, объединенных физически на уровне световода, либо логически - на уровне протоколов передачи данных. Скорость передачи данных по ВОЛС может измеряться сотнями гигабит в секунду. Уже сейчас дорабатывается стандарт, позволяющий передавать данные со скоростью 100 Гбит/c, а стандарт 10 Гбит Ethernet используется в современных телекоммуникационных структурах уже несколько лет.

Многомодовое волокно

В многомодовом ОВ может распространяться одновременно большое число мод – лучей, введенных в световод под разными углами. Многомодовое ОВ обладает относительно большим диаметром сердцевины (стандартные значения 50 и 62,5 мкм) и, соответственно, большой числовой апертурой. Больший диаметр сердцевины многомодового волокна упрощает ввод оптического излучения в волокно, а более мягкие требования к допустимым отклонениям для многомодового волокна позволяют уменьшить стоимость оптических приемо-передатчиков. Таким образом, многомодовое волокно преобладает в локальных и домашних сетях небольшой протяженности.

Основным недостатком многомодового ОВ является наличие межмодовой дисперсии, возникающей из-за того, что разные моды проделывают в волокне разный оптический путь. Для уменьшения влияния этого явления было разработано многомодовое волокно с градиентным показателем преломления, благодаря чему моды в волокне распространяются по параболическим траекториям, и разность их оптических путей, а, следовательно, и межмодовая дисперсия существенно меньше. Однако насколько не были бы сбалансированы градиентные многомодовые волокна, их пропускная способность не сравнится с одномодовыми технологиями.

Волоконно-оптические приёмопередатчики

Чтобы передать данные через оптические каналы, сигналы должны быть преобразованы из электрического вида в оптический, переданы по линии связи и затем в приёмнике преобразованы обратно в электрический вид. Эти преобразования происходят в устройстве приёмопередатчика, который содержит электронные блоки наряду с оптическими компонентами.

Широко используемый в технике передач мультиплексор с разделением времени позволяет увеличить скорость передачи до 10 Гб/сек. Современные быстродействующие волоконно-оптические системы предлагают следующие стандарты скорости передач.

Стандарт SONET	Стандарт SDH	Скорость передачи
OC 1	-	51,84 Мб/сек
OC 3	STM 1	155,52 Мб/сек
OC 12	STM 4	622,08 Мб/сек
OC 48	STM 16	2,4883 Гб/сек
OC 192	STM 64	9,9533 Гб/сек

Новые методы мультиплексного разделения длины волны или спектральное уплотнение дают возможность увеличить плотность передачи данных. Для этого многочисленные мультиплексные потоки информации посылаются по одному оптоволоконному каналу с использованием передачи каждого потока на разных длинах волны. Электронные компоненты в WDM-приемнике и передатчике отличаются по сравнению с теми, которые используются в системе с временным разделением.

Применение линий оптоволоконной связи

Оптоволокно активно применяется для построения городских, региональных и федеральных сетей связи, а также для устройства соединительных линий между городскими АТС. Это связано с быстротой, надёжностью и высокой пропускной способностью волоконных сетей. Также посредством применения оптоволоконных каналов существуют кабельное телевидение, удалённое видеонаблюдение, видеоконференции и видеотрансляции, телеметрические и другие информационные системы. В перспективе в оптоволоконных сетях предполагается использовать преобразование речевых сигналов в оптические.