Волоконно-оптический кабель: характеристики, сфера применения, плюсы и минусы

Автор статьи

Павел Ястремский

Начальник IT-отдела. В сфере более 10 лет, занимается разработкой собственного ПО.

Задать вопрос

Повсеместное распространение оптоволокна стало следствием развития стандарта Ethernet, который появился на свет в далеком 1973 году. Тогда скорость передачи данных в компьютерных сетях достигала максимальной отметки в 2,94 Мбит/с. Сегодня эта цифра кажется попросту смешной и не соответствует требованиям современного Интернет-пользователя. Результатом развития стандарта 802.3 стало появление 1000BASE-X, построенного на принципиально другой технологии передачи информации.

Определение

Кабель из оптоволокна входит в состав пассивных компонентов ВОЛС (Волоконно-оптическая линия связи). Он состоит из светонесущих элементов, защищенных внешней оболочкой. Длина сегмента может достигать 100 км без потери или ослабления сигнала. При помощи муфты сегменты объединяются между собой. Световой поток используется для передачи сигнала по каналу. Он генерируется лазером, а трансформируется электрическим регенератором и фотоприемником.

Частоты

Скорость, дальность передачи ограничены эффектами дисперсии, затуханием. Исследователи нашли длины волн, минимизирующие недостатки. Образовано несколько окон, используемых телекоммуникациями:

О – 1260..1360 нм.
Е – 1360..1460 нм.
S – 1460..1530 нм.
С – 1530..1565 нм.
L – 1565..1625 нм.
U – 1625..1675 нм.

Окна идут непрерывно, существующие системы связи могут состоять одновременно из двух-трёх. Исторически первый промежуток (800-900 нм) сегодня убран, поскольку потери оказались непомерно высокими. Окна О, Е характеризуются нулевой дисперсией. Чаще применяют S, C, демонстрирующие преимущества минимального затухания (максимальная дальность передачи).

Достоинства и недостатки

Оптическое волокно обладает рядом неоспоримых преимуществ перед витой парой:

высокая пропускная способность оптоволокна по сравнению с медью. Компания Google построила трассу США-Япония с максимальной скоростью передачи в 600 Тбит/сек;
меньшие потери мощности и возможность передачи данных на большие расстояния;
устойчивость к электромагнитным наводкам;
длина сегмента сети с использованием одномодового волокна может достигать 100 километров;
оптика легче, тоньше и занимает меньше площади;
передаваемую информацию очень трудно перехватить, поскольку кабель не производит электромагнитной энергии;
устойчивость к окислению;
отсутствие в конструкции драгоценных металлов, вследствие чего низкая стоимость.

Среди недостатков стоит отметить:

сложность монтажа требует наличия специального оборудования;
вследствие неправильной прокладки при сгибе провода оптоволокно может сломаться или под углом сигнал потеряет интенсивность;
для проверки передачи данных по оптоволоконному кабелю необходимы специальные устройства.

Так что же лучше – оптика или медь?

Нынче любой крупный и даже средний интернет-провайдер использует в ряде сегментов своих сетей оптоволокно. И наоборот: как бы провайдер не заманивал подключением к «самой быстрой системе нового поколения», отдельные участки его сетей – традиционный медный кабель. Просто правила им диктуют условия среды (где-то они больше подходят для меди, а где-то – для оптики) и экономическая целесообразность, а маркетинг – есть маркетинг.

К какому виду магистрали подключили ваш дом провайдеры «Медный всадник» и «Оптическая иллюзия», точно не скажет никто, поэтому будем считать, что их предложения различаются только способом подключения абонентов внутри квартир.

В таблице ниже сопоставлены свойства волоконной оптики и витой пары:

Оптоволокно	Медная витая пара
Теоретически достижимая скорость связи	OS1 – 40 Гбит/с OS2– 100 Гбит/с OM3 и ОМ4 – 100 Гбит/с	До 10 Гбит/с для кабелей категории 6 и 7.
Максимальная длина неразрывной линии	OS1 – 100 км OS2 – 40 км ОМ3 – 300 м ОМ4 – 125 м.	100 м
Физические свойства кабеля	Тонкий, хрупкий	Толстый, гибкий
Подверженность внешним воздействиям	Чрезмерные изгибы, давление, некоторые виды излучений	Электромагнитные помехи, атмосферное электричество, агрессивные химические среды, огонь, несанкционированное подключение для считывания данных
Совместимость с клиентским оборудованием	Требует покупки специальных адаптеров	Совместима с любыми устройствами, оснащенными гнездами RJ-45
Обслуживание	Требует спецоборудования и профессиональной подготовки	Требует минимальных навыков и знаний
Стоимость	Высокая	Низкая

Подведем итоги:

Оптоволоконная линия до 10-и раз быстрее и гораздо «дальнобойнее», чем витая пара, она не подвержена влиянию наводок электрического оборудования и силовых линий, долговечна и прочна, не горит, не теряет свойств от влаги, кислот и щелочей. Не допускает шпионских врезок и прослушивания путем индукционного подключения.
Волоконно-оптическую сеть легче замаскировать в интерьере, для нее не нужно монтировать широкие неэстетичные кабель-каналы.
Волоконная оптика – это хоть и гибкое, но стекло, а любое стекло может трескаться и крошиться. Поэтому монтаж и модернизация такой сети требует большой аккуратности. Если поврежденную витую пару можно разрезать и соединить простой скруткой, то для восстановления разорванной оптики нужен специальный сварочный аппарат и умение с ним обращаться. А иногда даже небольшое повреждение волоконно-оптической линии требует полной ее замены.
Главное преимущество витой пары – дешевизна и простота в обиходе. За подключение к Интернету посредством медного кабеля с вас, скорее всего, не возьмут никаких дополнительных денег, а за оптику придется заплатить, ведь она дорогая. Витую пару с универсальным коннектором можно сразу воткнуть в компьютер – и на нем появится Интернет. Для оптики снова придется раскошелиться на специальную розетку, модем (ONT-терминал или роутер), сетевые адаптеры. А это тоже недешево.

Чисто оптоволоконные сети внутри домов и квартир пока большая редкость, чаще всего их делают гибридными – частично оптическими, частично меднопроводными, частично беспроводными. Оптику обычно подводят только к модему, а конечные устройства – компьютеры, смартфоны, смарт ТВ и т. д. получают Интернет всё по той же витой паре или Wi-Fi, ведь они не оборудованием модулями декодирования светового сигнала. Значит, какие бы сверхскорости ни обещал вам провайдер, медленные сегменты сети сведут ее на нет.

Итак, ваш выбор «Медный всадник», если:

Вы не хотите переплачивать за то, чего, скорее всего, не получите. Если ваши устройства – потребители Интернет-трафика работают на устаревших протоколах Ethernet или Wi-Fi, то оптика не сделает их быстрее.
Вы часто переносите компьютер с места на место, у вас есть собака, которая любит жевать провода или маленькие дети, хватающие всё подряд. И в случае повреждения кабеля вам проще починить его своими руками, чем платить мастеру.

Вам лучше стать клиентом «Оптической иллюзии», если:

Вы за всё новое против всего старого. Волоконная оптика – это технология будущего, а значит, достойна инвестиций. И пусть она дружит не с каждым девайсом – скоро, надо ожидать, производители последних возьмутся за ум и оборудуют свои продукты поддержкой оптоволокна. Ведь потребители этого хотят и готовы вкладываться.
Финансы для вас – не проблема. У вас современная техника, которая поддерживает последние протоколы проводной и беспроводной связи, и вы готовы заставить ее «взять максимальную высоту».
Вам нужна скорость, и этим все сказано.
Безопасность сети в плане возможной утечки данных – ваше всё.

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.

Области применения

Первое, что приходит на ум при упоминании волоконно-оптического кабеля, — Интернет. Все известные провайдеры заменили свои медные коммуникации на высокоскоростную оптику. Это позволило увеличить пропускную способность канала, необходимую для передачи интернет-трафика, организации IP-телефонии, телевидения и выделенных сервисов.

В целом, при помощи ВОК построена вся Мировая Паутина. Ее сети тянутся от берегов США по всему земному шару в виде подводных коммуникаций. Хрупкий кабель защищен толстостенной изоляцией, а укладывается он при помощи специальных кораблей под грунтом на самом дне океана.

Данная технология обретает все большую популярность и в построении локальных сетей. Особенно это касается загородных домов, где нет доступа к сети крупных провайдеров. Существует практика возведения вышек с пушками Wi-Fi, от которых тянется оптика до частных владений, позволяя таким образом подключиться к Интернету вдали от города.

Помимо этого, оптоволокно применяется в следующих сферах:

промышленные системы управления;
авиационные системы;
военные системы командования, управления и связи;
датчики – оптика может использоваться для доставки света от удаленного источника к датчику для получения информации о давлении, температуре или другой информации;
подача энергии – оптические волокна могут обеспечивать исключительно высокий уровень мощности для таких задач, как лазерная резка, сварка, маркировка и сверление;
освещение – пучок волокон, собранных вместе с источником света на одном конце, может освещать труднодоступные области – например, внутри человеческого тела, в сочетании с эндоскопом. Также их можно использовать как выставочную вывеску или декоративную подсветку.

Конструкция и материалы

Определившись с тем, что такое оптоволокно, перейдем к описанию его устройства. Чтобы лучше понять структуру оптического волокна, рассмотрим процесс его производства:

нагретый кварцевый песок протягивают через сканер, проверяющий диаметр получающейся нити;
затем в камеру охлаждения;
и наконец в ванну с полимером, который налипает и формирует внешний защитный слой;
в конце вертикального конвейера находится бобина, на которую со скоростью 3 км/с наматывается остывшее волокно;
его транспортируют на завод, где осуществляется покраска каждой нити, чтобы их затем можно было различить в зависимости от канала передачи данных;
на специальном станке из них формируются пучки, которые затем запаиваются в кожух из полиэтилена;
пучки пережемаются с армирующим стеклопластиковым стержнем, а затем упаковываются во внешнюю изоляцию. Так формируется строение конструкции оптоволоконного кабеля.

В зависимости от сценария использования кабеля, его конструктивные особенности могут меняться, но общий принцип остается один. Для понимания расположения элементов оптоволокна кабеля, фото в разрезе окажется наиболее удобным способом продемонстрировать их на самом распространенном примере:

сердечник из оптического волокна — самая хрупкая часть кабеля;
гидрофобный заполнитель обеспечивает защиту посредством амортизации;
эту конструкцию опоясывает центральная трубка;
промежуточная полиэтиленовая оболочка обеспечивает дополнительную защиту сердцевины;
как правило, в кабеле присутствует броня (существует множество разновидностей);
все перечисленные элементы закрывает наружная оболочка.

Принцип действия

Каковы причины резкого роста популярности высокочастотных сигналов? Современные учебники упоминают снижение потребности в регенерации сигнала, стоимости, повышение ёмкости каналов. Советские инженеры вызнали, рассуждая иначе: медный кабель, броня, экран берут 50% мирового производства меди, 25% – свинца. Недостаточно известный факт стал главной причины оставления спонсорами Николы Теслы, проекта башни Ворденклифф (название дала фамилия мецената, пожертвовавшего землю). Известный сербский учёный возжелал передавать информацию, энергию беспроводным путём, напугав немало локальных хозяев медеплавильных заводов. 80 лет спустя картина изменилась кардинально: люди осознали необходимость сбережения цветных металлов.

Материалом изготовления волокна служит… стекло. Обычный силикат, сдобренный изрядной долей модифицирующих свойства полимеров. Советские учебники, помимо указанных причин популярности новой технологии, называют:

Малое затухание сигналов, явившееся причиной снижения потребности в регенерации.
Отсутствие искрения, следовательно, пожаробезопасность, нулевая взрывоопасность.
Невозможность короткого замыкания, пониженная потребность в обслуживании.
Нечувствительность к электромагнитным помехам.
Низкий вес, сравнительно малые габариты.

Первоначально оптоволоконные линии должны были объединить крупные магистрали: меж городами, пригородами, АТС. Эксперты СССР назвали кабельную революцию сродни появлению твердотельной электроники. Развитие технологии позволило построить сети, лишённые токов утечки, перекрёстных помех. Участок длиной сотню км лишён активных методов регенерации сигнала. Бухта одномодового кабеля обычно составляет 12 км, многомодового – 4 км. Последнюю милю чаще покрывают медью. Провайдеры привыкли предназначать оконечные участки индивидуальным пользователям. Отсутствуют высокие скорости, приёмопередатчики дёшевы, возможность подвести одновременно питание устройству, простота использования линейных режимов.

Передатчик

Типичным формирователем луча выступают полупроводниковые светодиоды, включая твердотельные лазеры. Ширина спектра сигнала, излучаемого типичным p-n-переходом, составляет 30-60 нм. КПД первых твердотельных устройств едва достигал 1%. Основой связных светодиодов чаще выступает структура индий-галлий-мышьяк-фосфор. Излучая более низкую частоту (1,3 мкм), приборы обеспечивают значительное рассеивание спектра. Результирующая дисперсия сильно ограничивает битрейт (10-100 Мбит/с). Поэтому светодиоды пригодны для построения локальных сетевых ресурсов (дистанция 2-3 км).

Частотное деление с мультиплексированием осуществляется многочастотными диодами. Сегодня несовершенные полупроводниковые структуры активно вытесняются вертикальными излучающими лазерами, значительно улучшающими спектральные характеристики. повышающими скорость. Цена одного порядка. Технология вынужденного излучения приносит гораздо более высокие мощности (сотни мВт). Когерентное излучение обеспечивает КПД одномодовых линий 50%. Эффект хроматической дисперсии снижается, позволяя повысить битрейт.

Малое время рекомбинации зарядов позволяет легко модулировать излучение высокими частотами питающего тока. Помимо вертикальных применяют:

Лазеры с обратной связью.
Резонаторы Фабри-Перо.

Высокие битрейты дальних линий связи достигаются применением внешних модуляторов: электро-абсорбционные, интерферометры Маха – Цендера. Внешние системы устраняют необходимость применения линейной частотной модуляции напряжением питания. Обрезанный спектр дискретного сигнала передаётся дальше. Дополнительно разработаны другие методики кодирования несущей:

Квадратурная фазовая манипуляция.
Ортогональное мультиплексирование с частотным разделением.
Амплитудная квадратурная модуляция.

Передатчик сформирован цифро-аналоговым преобразователем, драйверным усилителем, модулятором Маха-Цендера. Применение высоких форматов модуляции (выше 4 квадратур), битрейтов (выше 32 Гбод) снижает эффективность ввиду наличия паразитных эффектов. Линейные погрешности сформированы цифро-аналоговым преобразователем, неидеальностью системы синхронизации. Нелинейные искажения вызваны эффектом насыщения драйверного усилителя, модулятора. Меры противодействия существенно повышают скорость, позволяя использовать модуляции высоких квадратур.

Процедуру осуществляют цифровые сигнальные процессоры. Старые методики компенсировали лишь линейную составляющую. Беренджер выразил модулятор рядами Вина, ЦАП и усилитель смоделировал усечёнными, времянезависимыми рядами Вольтерры. Кхана предлагает использовать полиномиальную модель передатчика вдобавок. Каждый раз коэффициенты рядов находят, используя архитектуру непрямого изучения. Дутель записал множество распространённых вариантов. Фазная перекрёстная корреляция и квадратурные поля имитируют несовершенство систем синхронизации. Аналогично компенсируются нелинейные эффекты.

Приёмники

Фотодетектор совершает обратное преобразование свет – электричество. Львиная доля твёрдотельных приёмников использует структуру индий-галлий-мышьяк. Иногда встречаются pin-фотодиоды, лавинные. Структуры металл-полупроводник-металл идеально подходят для встраивания регенераторов, коротковолновых мультиплексоров. Оптикоэлектрические конвертеры часто дополняют трансимпедансными усилителями, ограничителями, производящими цифровой сигнал. Затем практикуют восстановление синхроимпульсов с фазовой автоподстройкой частоты.

Виды

Существует множество видов оптоволоконных кабелей в зависимости от характера их применения. Они представлены в двух «режимах»: многомодовом и одномодовом.

Многомодовое волокно (MMF) имеет сердечники двух размеров: 50 мкм и 62,5 мкм. Широкое ядро позволяет передавать несколько потоков данных одновременно. В многомодовом волокне в качестве источника света используется светоизлучающий диод (LED) или лазер с вертикальной полостью, излучающий поверхность (VCSEL). Из-за высокой скорости рассеивания и затухания он обычно используется для передачи большого объема данных на относительно короткие расстояния .

Одномодовое волокно (SMF) имеет гораздо меньший диаметр сердцевины – 8,3 мкм или 9 мкм и единственный световой путь, который может проходить на большие расстояния. Одномодовые волокна обычно используются для более длинных участков, таких как сети передачи данных университетского городка, передачи кабельного телевидения и телекоммуникационные сети.

То, как будет прокладываться кабель, определяет его конструкцию. Наиболее распространенными типами оптических кабелей по их применению являются:

для внутреннего монтажа;
для установки в кабельные каналы, с броней или без нее;
для укладки в грунт;
подвесной, с тросом или без него;

Тип волокна определяет параметры брони, наличие подвесного троса и других характеристик оптического кабеля. Условия среды могут быть агрессивными, будь то грунт или вода. Наиболее частые поломки линии вызваны механическими повреждениями. Например, во время ремонтных работ кабель может быть поврежден крупногабаритными машинами, или подводные сети оборваны субмаринами или кораблями. Под каждый сценарий применения подбирается соответствующий вид кабеля.

Многомодовый волоконно-оптический кабель

Такой кабель позволяет пропускать сквозь себя несколько лучей, которые распространяются по независимым друг от друга путям. В этом случае необходимо применять сердечники большего диаметра, что приводит к значительному возрастанию модовой дисперсии.

Результат более интенсивного рассеяния света внутри кабеля — ускоренное затухание сигнала, что существенно снижает протяженность линии передачи данных. Когда сигнал необходимо передавать на значительные расстояния, появляется потребность в дополнительных ретрансляторах.

В свою очередь, многомодовые кабели по классу оптоволокна подразделяются следующим образом:

Тип волокна	Полоса пропускания, МГц/км		Расстояние передачи, м
Тип волокна	850 нм	1300 нм	1GBase-SR	10GBase-SR	40GBase-SR4 / 10GBase-SR10
62,5/125 ОМ1	более 160	более 500	275	—	—
50/125 ОМ2	более 500	более 500	600	83	—
50/125 ОМ3	более 1500	более 500	1000	300	140
50/125 ОМ4	более 3500	более 500	1100	550	170

Монтаж

Процесс подключения Интернета через оптоволокно сложнее, чем кажется на первый взгляд. Все преимущества скорости света заключены в хрупком сердечнике, требующего бережного отношения. По сравнению с медной витой парой, обслуживание таких коммуникаций требует повышенной квалификации работников, занятых монтажными работами и подключением абонентского оборудования. Особенно это касается профессиональных бригад, обслуживающих магистрали провайдера. Будь то срочный ремонт или плановое подключение участка — сетевой инженер всегда имеет при себе целый набор инструментов для обслуживания оптоволоконного кабеля для Интернета.

Чтобы соединить несколько сегментов кабеля, необходимо их сварить. Это возможно при помощи дорогостоящего электросварочного оборудования, в состав которого входит микроскоп.

Продвинутые модели оснащены ЧПУ, который регулирует угол и наклон сварки для достижения наилучшего результата. Проблема заключается в том, что даже небольшая погрешность может оказать негативное влияние на скорость передачи данных по оптоволокну.

Процесс монтажа:

Сначала необходимо подготовить кабель. При помощи специального инструмента срезается внешняя и внутренняя изоляция, а также зачищается сердечник.
Зачищенное волокно необходимо обработать спиртосодержащим веществом, а затем укоротить до нужной длины при помощи резака.

Важно отметить, что оно очень острое и при попадании под кожу его вряд ли удастся извлечь без помощи врача, поэтому монтаж стоит осуществлять крайне аккуратно.

Затем место сварки покрывается термоусадкой и нагревается до высокой температуры.
Для подключения готового кабеля к конечному оборудованию его нужно обжать. Процесс обжима оптоволокна различается в зависимости от его типа. Если говорить о бытовом использовании, то в продаже можно найти готовые патч-корды.

В случае домашнего использования не обязательно приобретать дорогостоящее оборудование. Зачищающий инструмент и резак всё-таки понадобятся, но стоят они недорого (в пределах 1000 рублей), а без сварочного аппарата можно обойтись. Его заменит недорогая клипса, в которую вкладываются и закрепляются подготовленные концы кабеля. Этого вполне достаточно, чтобы световой поток проходил через канал.

Сравнение оптоволокна и витой пары

Возникает правомерный вопрос — почему же, несмотря на все преимущества оптоволоконного кабеля, Интернет в большинство российских квартир доставляется при помощи медной витой пары? Дело в том, что они не подлежат прямому сравнению, просто назначение — разное.

Несомненно, оптика обладает преимуществами скорости света и способна доставить объемные данные на огромные расстояния. В этом заключается ее главное предназначение — в построении целых магистралей. Когда же дело доходит до щитка провайдера внутри подъезда, то здесь витая пара оправдывает себя полностью. Благодаря простоте монтажа и достаточной скорости для передачи на короткие расстояния (например, внутри многоквартирного дома), она становится незаменимой.

Применение оптоволокна всегда оправдано в промышленных масштабах. При проектировании локальной сети небольшого предприятия или офиса учитывают затраты на кабель и оконечное оборудование. В этом случае, оптоволоконный кабель для интернета проигрывает меди из-за того, что его монтаж в разы сложнее и дороже.

Назначение

Кабель ВОЛС — это один из наиболее современных и хороших в мире способов быстро передавать данные на большие расстояния. При этом разработка совсем не уникальная — она появилась еще в конце XXстолетия и с этих пор эффективно развивается.

Люди активно общаются, совершенствуют быт и экономику, так что скорость передачи данных должна быть высокой. В настоящее время этот кабель использует множество интернет-провайдеров. У него нет побочных эффектов, таких, как ухудшение качества сигнала на большой дистанции и перегрев. На него не влияют блуждающие токи.