Оптоволокно

В этой статье речь пойдет не столько о сетях, сколько об основе их аппаратного обеспечения, точнее, о кабелях, а если еще точнее, то об оптоволоконных кабелях и о том, что это такое, как функционирует и зачем нужно. Тем более что эта тема в связи с все нарастающим к ней интересом заслуживает особенного внимания. Итак, все по порядку.

История развития волоконно-оптических линий связи началась в 1965-1967 годах, когда появились опытные волноводные линии связи для передачи широкополосной информации, а также криогенные сверхпроводящие кабели с малым затуханием. С 1970 года активно развернулись работы по созданию световодов и оптических кабелей, использующих видимое и инфракрасное излучения оптического диапазона волн. Создание волоконного световода и получение непрерывной генерации полупроводникового лазера сыграли решающую роль в быстром развитии волоконно-оптической связи. К началу 80-х годов были разработаны и испытаны волоконно-оптические системы связи. Основные сферы применения таких систем — телефонная сеть, кабельное телевидение, вычислительная техника, системы контроля и управления технологическими процессами и т. д.

Волоконно-оптические линии представляют собой диэлектрические волноводы, направляющая система которых состоит из диэлектриков с различными показателями преломления, в которых осуществляется передача световых сигналов микроволнового диапазона волн от 0.8 до 1.6 mkm. Оптический кабель (ОК) состоит из скрученных по определенной системе оптических волокон из кварцевого стекла (световодов), заключенных в общую защитную оболочку. При необходимости кабель может содержать силовые (упрочняющие) и демпфирующие элементы.

Существующие ОК по своему назначению могут быть классифицированы на 3 группы: магистральные, зоновые и городские. В отдельные группы выделяются объектовые и монтажные ОК. Магистральные ОК предназначаются для передачи информации на большие расстояния и значительное число каналов. Они должны обладать малыми затуханием и дисперсией и большой информационно-пропускной способностью. В таких кабелях используется одномодовое волокно с размерами сердцевины и оболочки 8/125 mkm. Длина волны лежит в диапазоне от 1.3...1.55 mkm. Зоновые ОК служат для организации многоканальной связи между областным центром и районами с дальностью связи до 250 Km. Используются градиентные волокна с размерами 50/125 мкм. Длина волны 1.3 mkm. Городские ОК применяются в качестве соединительных между городскими АТС или узлами связи. Они рассчитаны на короткие расстояния (до 10 Km) и большое число каналов. Волокна градиентные (50/125 mkm). Длина волны 0.85 и 1.3 mkm. Эти линии, как правило, работают без промежуточных линейных регенераторов. Есть также подводные ОК, они предназначаются для осуществления связи через большие водные преграды. Они должны обладать высокой механической прочностью на разрыв и иметь надежные влагостойкие покрытия. Для подводной связи важно иметь малое затухание и большие длины регенерационных участков. Объектовые ОК служат для передачи информации внутри объекта. Сюда относятся учрежденческая и видеотелефонная связь, внутренняя сеть кабельного телевидения, а также бортовые информационные системы подвижных объектов (самолет, корабль, спутник и прочее). Монтажные ОК используются для внутреннего и межблочного монтажа аппаратуры. Они выполняются в виде жгутов или плоских лент.

Волоконная оптика сегодня получила широкое развитие и применяется в различных областях науки и производства (связь, радиоэлектроника, энергетика, термоядерный синтез, медицина, космос, машиностроение, летающие объекты, вычислительные комплексы и так далее). Темпы роста волоконной оптики и оптоэлектроники на мировом рынке опережают все другие отрасли техники и составляют 40% в год. В ряде стран (Англия, Япония, Франция, Италия и др.) уже сейчас при строительстве сооружений связи используют в основном только оптические кабели. О масштабах развития волоконно-оптических систем передачи свидетельствуют объемы производства оптических волокон в США. За последнее время ими изготовлено около 10 млн. километров волокна. Создание высоконадежных оптических кабельных систем связи стало возможным в результате разработки в начале 70-х годов оптических волокон с малыми потерями. Такие волокна в значительной мере стимулировали разработку специализированного оборудования. Даже в России и странах СНГ уже построены крупные волоконные линии различного назначения, например, практически во всех достаточно крупных городах действуют оптические соединительные линии между АТС. Существует также ряд зоновых линий внутриобластного назначения, например, Санкт-Петербург — Сосновый бор, Майкоп — Краснодар и др. С участием иностранных фирм осуществляется строительство транссибирской линии, которая свяжет Японию, Россию и Европу. Транссибирская линия после включения в мировую межнациональную сеть связи замкнет глобальное волоконно-оптическое кольцо, которое охватит 4 континента (Европу, Америку, Азию, Австралию) и пройдет через 3 океана (Атлантический, Тихий, Индийский). Оптические кабели обладают следующими достоинствами:

• Широкополосность, то есть возможность передачи большого потока информации (несколько тысяч каналов)
• Малые потери и, соответственно, большая длина трансляционных участков (30 - 100 Km)
• Малые габаритные размеры и масса
• Высокая защищенность от внешних воздействий и переходных помех
• Надежная техника безопасности (отсутствие искрения и короткого замыкания)
• Достаточно низкая стоимость, особенно в свете вышеописанных преимуществ

К недостаткам ОК можно отнести подверженность волоконных световодов радиации, за счет которой появляются пятна затемнения и возрастает затухание, а также водородную коррозия стекла, приводящую к микротрещинам в световоде и ухудшению его свойств.

В оптических системах передачи применяются те же методы образования многоканальной связи, что и в обычных системах передачи по электрическому кабелю, то есть частотный и временной методы разделения каналов. Во всех случаях оптической передачи электрический канал, создаваемый частотным или временным методом, модулирует оптическую несущую. В модулированном виде световой сигнал передается по ОК. В основном используется способ модуляции интенсивности оптической несущей, при которой от амплитуды электрического сигнала зависит мощность излучения, подаваемая в кабель. Дуплексная связь осуществляется по двум волоконным световодам, каждый из которых предназначен для передачи информации в одном направлении. В оптических системах связи используются преимущественно цифровые системы передачи на 30, 120, 480 и 1920 каналов. Многоканальные линии могут использоваться на магистральных и зоновых сетях связи страны, а также для устройства соединительных линий между городскими АТС. Объясняется это большой информационной способностью ОК и его высокой помехозащищенностью. Особенно эффективны и экономичны подводные оптические магистрали. На основе ОК можно создавать сети различной топологии - кольцевые, звездные и др. Волоконно-оптические кабели способны работать в агрессивных средах, достаточено надежны и не подвержены электромагнитным воздействиям, поэтому длина сегмента оптоволоконной сети существенно (в разы) превышает длину сегмента в обычной сети на основе медного кабеля.

В последнее время появилось новое направление в развитии волоконно-оптической техники — использование среднего инфракрасного диапазона волн 2...10 mkm. Ожидается, что потери в этом диапазоне не будут превышать 0.02 Db/Km, что позволит осуществить связь на еще большие расстояния с участками регенерации до 1000 Km. Исследование фтористых и халькогенидных стекол с добавками циркония, бария и других соединений, обладающих сверхпрозрачностью в инфракрасном диапазоне волн, дает возможность еще больше увеличить длину регенерационного участка. Другим перспективным направлением развития оптических линий является использование метода частотного разделения каналов, который заключается в том, что в световод одновременно вводится излучение от нескольких источников, работающих на разных частотах, а на приемном конце с помощью оптических фильтров происходит разделение сигналов. Такой метод разделения каналов в ОК получил название спектрального уплотнения или мультиплексирования. В перспективе в оптических линиях предполагается использовать преобразование речевых сигналов в оптические непосредственно с помощью акустических преобразователей (что-то наподобие ЦАП/АЦП в звуковых карточках). Кстати, уже разработан оптический телефон и проводятся работы по созданию новых АТС, коммутирующих световые, а не электрические сигналы.

На базе ОК легко создавать интегральные сети многоцелевого назначения, предназначенные для передачи информации различных видов (телефонирование, телевидение, передача файлов и так далее). В качестве унифицированного принят канал со скоростью передачи 64 Mbps.

Впрочем, такая область, как волоконно-оптические технологии, слишком обширна для одной статьи. Поэтому сосредоточим свое внимание исключительно на доводах в пользу применения оптоволокна в компьютерной сети, ведь, как-никак, раздел повящен компьютерным коммуникациям. Сначала немного подробнее остановимся на устройстве ОК. Световод, являющийся главным элементом в кабеле, 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. В общем-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 Gbits/s. 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. 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 Gbps. Проблема в том, что как само одномодовое оптоволокно, так и соответствующие электронные компоненты для передачи и приема света стоят дороже.

Спросите администратора сети, что он думает о волоконно-оптических технологиях, и вы, скорее всего, услышите, что они очень дороги, сложны и требуют постоянного внимания. Однако на самом деле все выглядит совершенно по-другому: оптоволокно недорого, чрезвычайно надежно и обеспечивает любые мыслимые скорости передачи данных. Волоконно-оптическая проводка, как и обычная 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. Стандарт на связную проводку для коммерческих зданий рекомендует 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.

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 следует знать, 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 позволяет ваш бюджет. Но, все же, каков практический минимум для числа волокон, можно определить так: нужно посчитать, сколько волокон вам нужно для обеспечения приемлимой пропускной способности, а затем умножить это число на два. 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 yнужно принимать во внимание, это соотношение между одномодовыми и многомодовыми световодами в кабеле. Обычно рекомендуется, 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, затраты и сложность прокладки кабеля с 72 волокнами практически такие же, как и у кабеля с 36 волокнами, а дополнительные волокна могут вполне пригодиться будущем (а менять потом кабель на другой будет куда дороже, чем проложить его сразу).

Спецификаций на оптоволокно существует сотни, они охватывают всевозможные аспекты - от физических размеров до пропускной способности, от прочности 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, также часто указывается длина и в футах или милях (2 километра равняется 1.3 мили). Многомодовое оптоволокно может быть нескольких диаметров, но наиболее распространено из них оптоволокно с соотношением сердцевины к оболочке 62.5 на 125 микрон. Размер 65.2/125 называется в спецификации ANSI/TIA/EIA-568A стандартным для проводки в зданиях. Одномодовое оптоволокно имеет один стандартный размер 9 плюс-минус один микрон. 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 (nm). Самые распространенные значения длины волны: 850, 1300, 1310 и 1550 nm. Большинство волокон имеет два окна - то есть свет может передаваться на двух длинах волн. Для многомодовых световодов это 850 и 1310 nm, а для одномодовых - 1310 и 1550 nm. Затухание характеризует величину потери сигнала и аналогично сопротивлению в медном кабеле. Затухание измеряется в децибелах на километр (Db/Km). Типичное затухание для одномодового волокна составляет 0.5 Db/Km при длине волны в 1310 nm и 0.4 Db/Km при длине волны 1550 nm. Для многомодового волокна эти величины приблизительно равны 3.0 Db/Km при 850 nm и 1.5 Db/Km при 1300 nm. Благодаря тому, что оно тоньше, одномодовое волокно позволяет передавать сигнал с тем же затуханием на более дальние расстояния, чем эквивалентное многомодовое волокно. Пропускная способность или емкость данных, передаваемых по световоду, обратно пропорциональна затуханию. Иными словами, чем меньше затухание, тем шире полоса пропускания в MHz. Минимально допустимая пропускная способность для многомодового волокна должна быть 160/500 Mhz при 850/1300 nm при максимальном затухании 3.75/1.5 Db/Km. 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 для удовлетворения более жестких требований к протяженности кабеля и затуханию сигнала.

Рекомендуемым типом соединителей ОК 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, можно столкнуться 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 придется покупать двустороннюю перемычку с требуемыми соединителями. Муфты, перемычки или рукава обеспечивают соединение между двумя волоконно-оптическими соединителями, и они используются в панелях переключений для подключения кабельной проводки.

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 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.

В качестве примера практического использования оптоволокна, кроме создания крупных распредельных сетей, можно привести модификацию обыкновенной Ethernet на витой паре.

Как видно из рисунка, медный сегмент подключается к оптоволоконному кабелю при помощи соответствующего трансивера. Максимальная длина оптоволоконного участка может достигать двух километров, что дает максимальную длину всей сети более 6 Km, в то время как обычный вариант сети еле-еле может позволить 800 метров. В данной статье мы, естественно, рассказали далеко не все, что можно рассказать о волоконной оптике, но, я полагаю, кое-что все же стало понятно.