Оптические волокна для телекоммуникаций: кварцевые и не только

Оптические характеристики

Современные технологии производства оптических кабелей позволяют сохранить оптические параметры в кабеле практически на уровне параметров исходного волокна. Так как в производстве используется волокно ведущих зарубежных производителей, то параметры волокон в кабелях не сильно отличаются от производителя к производителю. Рассмотрим нормированные значения показателей оптических волокон:

Одномодовые оптические волокна

Параметры многомодовых волокон

Конструктивные параметры волокон

Теперь рассмотрим механические параметры кабелей различных производителей в зависимости от условий прокладки.

Применение одномодового волокна

Итак, использование одномодового кварцевого волокна позволяет осуществить передачу информационного сигнала на десятки и даже сотни километров на высокой скорости (десятки Гбит/с).

Кроме того, как уже было отмечено выше, некоторые виды одномодового волокна можно использовать в сетях со спектральным уплотнением каналов (CWDM, DWDM), когда по одному оптоволокну одновременно распространяется излучение на нескольких длинах волн, причем в обоих направлениях (рис. 3). Это позволяет увеличить скорость передачи и объем передаваемой информации еще в большей степени. Частным случаем применения спектрального уплотнения является пассивная оптическая сеть (PON), в которой информация передается на трех длинах волн (1310, 1490 и 1550 нм).

Рис. 3. Каналы CWDM и DWDM и спектр затухания одномодового волокна (сплошная линия – стандартное волокно с водным пиком на 1383 нм, пунктирная линия – волокно с низким водным пиком)

________________________________________________________________

Преимущества и недостатки стекловолокна

Преимущества:

• Стеклянные оптические кабели могут использоваться в высокотемпературных применениях, таких как печи, духовки и конденсаторы в больших двигателях, а также в областях с чрезвычайно низкими температурами, таких как склады холодного хранения.
• Поскольку стеклянные сердцевины эффективны при передаче света и обеспечивают значительно более высокие скорости передачи, стеклянные оптические волокна могут использоваться на больших расстояниях измерения.
• Стеклянное оптическое волокно позволяет использовать фотоэлектрический датчик в местах, где вы обычно не сможете его использовать. С этим преимуществом вы можете выбрать датчики с широким спектром корпусов, стилями установки и функциями для вашего конкретного применения.
• Поскольку стеклянные оптические волокна тонкие и легкие, они оптимизированы для небольших пространств и небольших объектов.

Недостатки:

• Установка стеклянных оптических волокон требует высококвалифицированных техников, а инструменты и оборудование для терминации волокна обычно дороги.
• Диаметр сердцевины из стекловолокна очень мал, следовательно, он предъявляет более высокие технологические требования для подключения света к области сердцевины, такой как источники света.
• Стеклянные оптические волокна становятся хрупкими, и при неправильном обращении их больше можно разбить.

Принцип работы

В основе устройства кабеля из оптоволокна лежат стеклянные световоды. Это своеобразные трассы для транспортировки лучей света от источника до приемника. По привычному нам медному проводнику, который по сей день повсеместно используется в локальных сетях, движутся электроны. Информация кодируется единицами и нулями: если электрический импульс есть, значит он трансформируется сетевой картой в значение «1», и наоборот, если его нет — в «0».

С оптикой ситуация выглядит примерно таким же образом. В ней со скоростью света движутся его пучки — моды. Их присутствие определяет передаваемый бит информации, только со значительно большей скоростью (более 10Гбит/с).

Для отправки светового сигнала применяется лазер, луч которого направлен в сердцевину кабеля. При помощи системы зеркал он экранируется, что позволяет ему проходить изгибы и неровности канала. Концом пути светового потока является конечное оборудование, такое как медиаконвертер или роутер с поддержкой PON.
Его задача заключается в превращении оптического сигнала в электрический и наоборот. От него прокладывается стандартная витая пара и подключается к сетевому оборудованию, например, домашнему роутеру.

Какую можно получить скорость интернет соединения

АДСЛ сети обеспечивают нормальный интернет, но он не отличается высокой скоростью, которая будет оставаться стабильной. Самый лучший вариант – это заменить кабель с обычного АДСЛ на оптоволоконный и выбрать тариф для подключения. Скорость в 50-100 Мбит/с уже давно не удивляет абонентов, ведь подобные тарифы можно подключить почти у любого существующего оператора. Получить высокоскоростной интернет можно только если протянуть в квартире оптоволокно.

Скорость оптоволоконного интернета от провайдера Ростелеком позволяет получать качественный интернет с передачей до 300 Мбит в секунду и такие цифры не считаются пределом. Конечно, все зависит от загруженности сети, удаленности от вышек в зоне покрытия, подключенного тарифа. Но точно можно сказать одно – перейдя на оптический кабель для подключения к интернету больше можно не волноваться о том, как долго будут скачиваться файлы или прогружаться сайты.

Методы соединения оптических волокон

На данный момент есть большое количество технологий соединения оптических волокон – это дуговая сварка, осуществляемая при поддержке сварочного аппарата, и механическое слияние изнутри особой муфты – сплайса (не путайте с кабельной муфтой, служащей для соединения 2-ух или же нескольких оптических кабелей).

Для сварки оптических волокон используется особая сварочная установка. Это прибор, содержащий микроскоп для юстировки волокон, зажимы с v-образными желобками для надежной фиксации волокон и микроприводами для автоматизации процесса, дуговую сварку, термоусадочную видеокамеру для прогрева защитных гильз, процессор для управления установкой и систему контроля свойства.

Качество механического соединения можно выяснить с поддержкой оптического тестера или же рефлектометра.

К плюсам сварного соединения возможно отнести невысокое переходное затухание, высокую надежность и стремительную скорость соединения волокон.

Минусом считается цена оснащения (сварочного аппарата), необходимость в присутствии квалифицированного оператора, большая площадь для выполнения и электропитание (либо подзарядка) сварочного аппарата.

Плюсами механического соединения считаются простота и мелкие издержки времени на установку, наименьшая длина технологического припаса волокна.

Сращивание при поддержке механического сплайса применимо чаще всего для временных соединений, к примеру, при неотложном устранении повреждений кабеля, для монтажа малобюджетных рядов и при работе в недоступных пространствах.

История и классификация

Как уже упоминалось ранее, наибольшее распространение получили многомодовые волокна 50/125 и 62,5/125 мкм. Первые коммерческие многомодовые волокна, производство которых началось в 1970-х годах, имели диаметр сердцевины 50 мкм и ступенчатый профиль показателя преломления. В качестве источников оптического излучения использовались светодиоды (LED). Увеличение передаваемого трафика привело к появлению волокон с сердцевиной 62,5 мкм. Бо́льший диаметр позволял более эффективно использовать излучение светодиода, которое отличается большой расходимостью. Однако при этом увеличивалось число распространяемых мод, что, как известно, отрицательно сказывается на характеристиках передачи. Поэтому, когда вместо светодиодов стали использоваться узконаправленные лазеры, популярность снова стало обретать волокно 50/125 мкм. Дальнейшему росту скорости и дальности передачи информации способствовало появление волокон с градиентным профилем показателя преломления.

Волокна, используемые со светодиодами, имели различные дефекты и неоднородности возле оси сердцевины, то есть в той области, где сосредоточена бо́льшая часть излучения лазера (рис. 4). Поэтому возникла необходимость в совершенствовании технологии производства, что привело к появлению волокон, которые стали называть «оптимизированными для работы с лазерами» (laser-optimized fiber).

Рис. 4. Различие в распространении излучения LED и лазера в оптическом волокне

Так появилась классификация многомодовых кварцевых волокон, которая затем была подробно описана в различных стандартах. Стандарт ISO/IEC 11801 выделяет 4 категории многомодовых волокон, названия которых прочно вошли в обиход. Они обозначаются латинскими буквами OM (Optical Multimode) и цифрой, обозначающей класс волокна:

• OM1 – стандартное многомодовое волокно 62,5/125 мкм;
• OM2 – стандартное многомодовое волокно 50/125 мкм;
• OM3 – многомодовое волокно 50/125 мкм, оптимизированное для работы с лазером;
• OM4 – многомодовое волокно 50/125 мкм, оптимизированное для работы с лазером, с улучшенными характеристиками.

Для каждого класса в стандарте указаны значения затухания и ширины полосы пропускания (параметр, определяющий скорость передачи сигнала). Данные представлены в таблице 1. Обозначения OFL (overfilled launch) и EMB (effective modal bandwidth) указывают на разные методы определения ширины полосы пропускания при использовании светодиодов и лазеров соответственно.

Таблица 1. Параметры многомодовых оптических волокон разных классов.

Сегодня производители волокон также выпускают волокна классов OM1 и OM2, оптимизированные для работы с лазером. К примеру, волокна компании Corning – ClearCurve OM2 и InfiniCor 300 (OM1) – подходят для использования с лазерными источниками излучения.

Другие отраслевые стандарты (IEC 60793-2-10, TIA-492AA, ITU G651.1) проводят похожую классификацию многомодовых кварцевых волокон.

Помимо этих основных классов, выпускается большое разнообразие других разновидностей многомодовых волокон, отличающихся теми или иными параметрами. Среди них отдельно стоит выделить многомодовые волокна с малыми потерями на изгибах для прокладывания в ограниченном пространстве и волокна с уменьшенным радиусом защитного покрытия (200 мкм) для более компактного размещения в многоволоконных кабелях.

Активные компоненты

Поскольку одномодовое волокно имеет маленький диаметр сердцевины, в качестве источников излучения для него используются узконаправленные полупроводниковые лазеры, работающие во втором и третьем окнах прозрачности кварцевого волокна. Как правило, используются следующие типы лазеров:

1) Лазер с резонатором Фабри-Перо (FP – Fabry-Perot) – простейший тип полупроводникового лазера, характеризующийся большой шириной спектра (2 нм). Широкий спектр приводит к увеличению влияния хроматической дисперсии, что ограничивает расстояние передачи сигнала.

2) Лазер с распределенной обратной связью (DFB – distributed feedback) имеет конструкцию, способствующую уменьшению ширины спектра излучения до 0,1 нм, что позволяет использовать такие лазеры в более высокоскоростных и протяженных системах.

3) Лазер с внешней модуляцией (EML – externally modulated laser). Предыдущие типы излучателей относятся к категории лазеров с внутренней (прямой) модуляцией, при которой мощность излучения модулируется непосредственно током питания лазера. В системах, где важную роль играет стабильность длины волны излучения (например, в высокоскоростных системах и в системах WDM) применяются DFB лазеры, излучение которых модулируется внешним устройством модулятором.

Как происходит подключение к интернету через оптоволокно

Подключением кабельного интернета занимаются специалисты

Чтобы провести стекловолокно интернет домой, необходимо выполнить такую последовательность действий:

1. Обратиться к местному провайдеру. Для начала надо связаться с поставщиком интернет-услуг. Можно оставить заявку на официальном сайте провайдера, позвонить или лично посетить офис. В некоторых случаях сразу после обращения просят внести предоплату.
2. Дождаться мастеров. В ближайшие дни должны приехать сотрудники, занимающиеся монтажом сетей. Они выполняют работы по проведению интернет-провода в квартиру.
3. Сначала они рассверливают стену в прихожей, после чего через проделанное отверстие проводят оптоволокно от распределительного щитка. Когда провод будет проведен в квартиру, на нем устанавливают оптическую розетку.

Монтаж оборудования и подключение модема

После того, как провод будет проведен в квартиру, необходимо заняться подключением модема. Эта работа выполняется не монтажниками, а наладчиками провайдера. Мастера приезжают со своим оптическим модемом. Его можно сразу приобрести или взять в аренду на время.

Модем соединяется с проводом, который идет из распределительного щитка. Затем при необходимости его подключают к маршрутизатору для организации беспроводной сети или подсоединяют напрямую к персональному компьютеру через Ethernet-разъем.

Предложение об обязательной сертификации волоконно-оптической продукции

В связи с этим «Оптические системы» обратились в Минкомсвязи, Россвязь и Минпромторг с просьбой ввести обязательную сертификацию волоконно-оптической продукции, говорит гендиректор предприятия Андрей Николаев.

Еще одной проблемой для предприятия является невозможность пользоваться льготами для отечественных производителей, сетует Андрей Николаев. Заказчики из числа госструктур и подконтрольных государству компаний в ходе тендерных процедур должны применять 15% дисконт к продукции российских производителей. Но госзаказчики покупают не оптическое волокно, а волоконно-оптические кабели, в связи с чем «Оптические системы» не подпадают под эту льготу.

Ограничения оптоволокна

Есть и некоторые минусы технологии. Одной из причин, по которой такой вид проводов не является общедоступным, становятся затраты на его прокладку. Это не выгодно, когда уже есть готовые телефонные линии. Большинство людей, получающих интернет в 20-100 Мбит/с вполне довольны скоростью. Волокно работает оптимальнее, чем медь или алюминий, но из-за нагрузок на сервера пользователь часто просто не увидит разницы между ними. Например, приложение, загружающее большой файл на компьютер, может доставить его за считанные секунды при быстром соединении, но из-за ограничения на самих серверах софта эта цифра будет ограничена.

Кварцевое одномодовое волокно

В одномодовом волокне, как следует из названия, распространяется только одна (основная) мода излучения. Это достигается за счет очень маленького диаметра сердцевины (обычно 8-10 мкм). Диаметр оптической оболочки такой же, как и у многомодового волокна – 125 мкм. Отсутствие других мод положительно сказывается на характеристиках оптоволокна (нет межмодовой дисперсии), увеличивая дальность передачи без ретрансляции до сотен километров и скорость до десятков Гбит/с (приводим стандартные значения, а не те «рекордные», которые достигаются в исследовательских лабораториях). Затухание в одномодовом волокне также крайне низкое (менее 0,4 дБ/км).

Диапазон длин волн для одномодового волокна достаточно широк. Обычно передача осуществляется на длинах волн 1310 и 1550 нм. При использовании технологии спектрального уплотнения каналов используются и другие длины волн (об этом чуть ниже).

Классификация. Ассортимент кварцевых одномодовых волокон весьма разнообразен. Международный стандарт ISO/IEC 11801 и европейский EN 50173 по аналогии с многомодовым волокном выделяют два больших класса одномодовых волокон: OS1 и OS2 (OS – Optical Single-mode). Однако в связи с существующей путаницей, связанной с этим делением, не рекомендуем ориентироваться на эту классификацию. Гораздо более информативными являются рекомендации ITU-T G.652-657, выделяющие больше типов одномодовых волокон.

В таблице ниже представлена краткая характеристика этих волокон и их применение. Но прежде – пара комментариев. Межмодовая дисперсия, отсутствующая в одномодовом волокне, является не единственным механизмом уширения оптического импульса. В одномодовом волокне на первый план выходят другие механизмы, прежде всего, хроматическая дисперсия, связанная с тем, что ни один источник излучения (даже лазер) не испускает строго монохроматичное излучение. При этом существует длина волны, при которой коэффициент хроматической дисперсии равен нулю. В большинстве случае работа на этой длине волны оказывается предпочтительной, но не всегда.

Применение. Одномодовое кварцевое волокно, безусловно, является самым распространенным типом оптоволокна. С его помощью можно организовать передачу высокоскоростного сигнала на очень большие расстояния, а применение технологии спектрального уплотнения каналов (CWDM/DWDM) позволяет в разы увеличить пропускную способность линии связи. Одномодовое волокно часто применяется и на коротких дистанциях, например, в локальных сетях.

Применение

Несмотря на все эти преимущества, нерешенным остается вопрос: что же делать с тем огромным по меркам ВОЛС затуханием, возникающим в полимерных материалах? Действительно, POF имеет заметные ограничения по скорости и дальности передачи информации. Обычно линии на основе пластикового волокна имеют длину порядка нескольких десятков метров, а максимальная скорость передачи ограничивается примерно 200 Мбит/с (скорость передачи может достигать и нескольких Гбит/с, но при этом используются волокна с другим профилем показателя преломления и технология мультиплексирования).

Однако именно эти ограничения и определили сферу применения пластикового волокна. По дальности и скорости передачи POF никогда не смогут конкурировать с кварцевым волокном. Однако в непротяженных сетях, не требующих к тому же высоких скоростей, проявляются преимущества пластикового волокна, о которых писалось выше.

Итак, применение пластикового волокна целесообразно в следующих областях:

Промышленные линии связи. Поскольку пластиковое волокно (как и кварцевое) является диэлектриком, его можно использовать вблизи мощных источников электромагнитных помех, например, вблизи электродвигателей, преобразователей электрической энергии, силовых кабелей. Также POF эффективно осуществляет высоковольтную развязку оборудования с разными потенциалами, а потому может быть использовано там, где оптронная или какая-либо другая развязка неэффективна. Таким образом, пластиковое волокно успешно заменяет медные линии в индустриальных сетях, работающих по протоколам RS-485, Fast Ethernet, Fieldbus.

Датчики. POF с успехом применяется в различного рода промышленных датчиках. Один из примеров – датчик электрической дуги в КРУ подстанций – подробно разбирался на нашем сайте.

Автомобильная электроника

В современной автомобильной промышленности все большее внимание уделяется программно-аппаратным комплексам управления различными системами внутри транспортных средств, в частности мультимедийными системами. Пластиковое волокно полностью удовлетворяет требованиям для среды передачи в таких условиях

Разрабатываются специальные протоколы для автомобильных линий связи (например, MOST – Media Oriented Systems Transport).

Медицина. В медицине пластиковое волокно может использоваться, например, для защиты (изоляции) пациента от пробоя диагностического и лечебного оборудования, а также для связи между блоком управления и высоковольтным оборудованием (рентгеновский аппарат).

Специальные/корпоративные сети передачи данных. Эта сфера применения пластикового волокна пока не получила большого распространения в нашей стране. Однако в масштабах квартиры или офиса пластиковое волокно вполне может конкурировать с традиционными медными линиями.

Системы удаленного освещения. POF может быть использовано не только для передачи информационного сигнала, но и для подсветки удаленных объектов и в рекламных конструкциях.

Если подвести итог, то сфера использования пластикового волокна – любые короткие низкоскоростные линии связи. Особенно эффективно его применение в условиях, в которых передача по медным линиям сопряжена с трудностями или же невозможна вообще, а использование кварцевого волокна экономически невыгодно.

Явление рассеивания[править]

Явление рассеивания может быть характеризовано как процесс, когда сигнал лазера рассеивается молекулярным колебанием волокна (оптические фотоны) или виртуальным трением.

Вынужденное рассеивание Раманаправить

Вынужденное Рамановское рассеиванием (Stimulated Raman Scattering — SRS) называется эффект, который преобразует энергию сигнала с короткой длиной волны в энергию сигнала с более длинной волной. Взаимодействие волны света с вибрирующими молекулами (оптические фотоны) в пределах кварцевого волокна вызывает SRS, рассеивая свет во всех направлениях. Длина волны разделяется между двумя сигналами интервалом приблизительно 100 нм (13.2 TГц), например, 1550 — 1650 нм отображают максимум эффекта SRS.

Вынужденное рассеяние Бриллюэна-Мандельштамаправить

Вынужденным рассеянием Бриллюэна — Мандельштама (Stimulated Brillouin Scattering — SBS) является явление обратного рассеяния, вызывающим потерю мощности. Мощные световые волны вызывают периодические изменения в показателе преломления волокна, которое могут быть описаны как виртуальное трение, перемещающееся как акустическая волна. Сигнал при этом явлении рассеивается обратно. Эффекты SBS происходят при передаче некоторого небольшого количества каналов.

Некоторая полезная информацияправить

С момента появления первого персонального компьютера фирмы IBM (1981 г.) скорость передачи данных выросла с 45 Мбит/с (линия T3 по телефонным проводам) до 100 Гбит/с (современная длинная линия), это означает не менее впечатляющий рост в 2000 раз или 16 раз за 10 лет. При этом вероятность ошибки при передаче уменьшилась с 105 на бит почти до нуля. Помимо этого, процессоры начинают приближаться к своим физическим пределам, поэтому теперь на одном кристалле их используется сразу несколько. Существующая ныне оптоволоконная технология, напротив, может развивать скорость передачи данных вплоть до 50 000 Гбит/с (50 Тбит/с), и до достижения ее физического предела нам еще далеко. Сегодняшний практический предел в 100 Гбит/с обусловлен нашей неспособностью быстрее преобразовывать электрические сигналы в оптические и обратно. Для того чтобы достичь более высокой скорости, по одному волокну просто одновременно передаются данные нескольких каналов.

Для двухслойного световода с ядром в 50 μm модальная дисперсия ограничивает частоту до 20 МГц при длине в 1 км. Кроме того, с помощью многослойного световода и специальных материалов можно достигнуть ограничения в 3.5 ГГц для 1 км.

Типичные характеристики (скорости/расстояния) передачи для многомодового оптоволокна — 100 Мбит/с для расстояний до 2 км (100BASE-FX), 1 Гбит/с для расстояний до 220/550 м. (1000BASE-SX), и 10 Гбит/s для расстояний до 300 м. (10GBASE-SR).

Основные технические параметры однодомодовых оптических волокон (ОВ)

Узнать стоимость магистрального оптического кабеля связи Вы можете, связавшись с нашими менеджерами.

С удовольствием обсудим с Вами индивидуальные условия сотрудничества.

Пропускная способность оптоволокна

За последние несколько десятков лет пропускная способность волоконно-оптического кабеля значительно увеличилась. При этом разработки по усовершенствованию одной из передовых технологий передачи данных не прекращается даже на минуту. В сущности, скорость передачи сигнала во многом зависит от расстояния между оборудованием, типа волоконного носителя и количества соединительных стыков в магистралях.

К примеру, использованный при построении внутренней сети (между серверами данных) многомодовый оптический кабель на расстоянии приблизительно в 200 метров способен обеспечить скорость до 10 Гбит/с.

Для прокладки внешних коммуникаций, где расстояние между передатчиками может достигать нескольких десятков километров применяется одномодовое оптоволокно. Структура такого кабеля позволяет развивать скорость потока более 10 Гбит/с. Правда, это далеко не предел возможности оптики. С увеличением потребительского спроса возникнет необходимость наращивать мощность оборудования и даже замена техники, позволяющая добиться скорости передачи данных на уровне 160 Гбит/с не способна использовать потенциал носителя в полной мере.