Особенности волоконно-оптического кабеля

Кабель-рекордсмен

Ученые и инженеры предпринимают попытки оптимизировать многожильные и многомодовые волокна для использования на больших расстояниях, что сразу увеличило бы пропускную способность в разы.

Летом 2014 года международная рабочая группа High-Speed Optical Communications Group на типе кабеля, предложенной японской компанией Telekom NTT, установила новый рекорд скорости в 43 Тбит/с. Сигнал в многожильном кабеле с семью волокнами создавал единственный лазер. Несколько месяцев спустя международная исследовательская команда из Нидерландов и США объявила о новом достижении в 255 Тбит/с. Такой скачок стал возможным благодаря тому, что каждое из семи волокон передавало одновременно по три моды. Небольшие отверстия, проделанные вокруг этих маломодовых волокон, эффективно экранировали световые волны друг от друга. Подобный кабель способен передавать 21 сигнал на расстоянии до одного километра без искажений.

Многомодовый многожильный кабель-рекордсмен. Для достижения рекордной скорости в 255 Тбит/с исследователям потребовался семиволоконный кабель. По каждому сердечнику передавалось три моды. Отверстия с воздухом экранировали сигналы.

Почему я не могу подключить саундбар к телевизору?

Чтобы понять, почему это невозможно (по крайней мере, на данном этапе истории аудио / видео оборудования), мы должны немного поговорить об электричестве, адаптерах питания и энергопотреблении.

Электроэнергия и адаптеры питания

Если у вас есть ноутбук или современная игровая консоль, вы наверняка знаете, что такое «блок питания». Эти куски пластика названы так потому, что они обычно размером с небольшой кирпич, соединяющие ваше устройство с розеткой. Большую часть времени они сидят на полу, поэтому о них легко забыть, а еще проще забыть о том, что они делают.

Не вдаваясь в подробности, адаптер питания выполняет интересные функции, такие как преобразование переменного тока в стене в постоянный ток, который может использовать ваше устройство, и регулирование полярности электричества, которое подается на устройство. Каждое электронное устройство, которое у вас есть, имеет адаптер питания, выполняющий эту работу, но для некоторых из них адаптер достаточно мал, чтобы его можно было встроить.

Для устройств, которые заканчиваются “блоком питания” на земле, есть пара причин, по которым производитель предпочитает делать это, а не встраивать его. Во-первых, это снижает вес устройства (некоторые блоки питания для ноутбуков могут весить до половины). само устройство). Во-вторых, наличие съемных блоков позволяет им продавать один XBox (например) по всему миру, при этом адаптер питания меняется в соответствии с местными вариантами электричества.

Но какое это имеет отношение к вашему телевизору?

Энергопотребление для телевизоров и звуковых панелей

В большинство телевизоров встроены адаптеры питания – «блок питания». Это имеет смысл, потому что телевизор на самом деле не портативный, поэтому нет никаких стимулов для уменьшения веса, а также потому, что в телевизорах он не используется много электричества, поэтому сам адаптер питания небольшой.

Например, типичный 32-дюймовый OLED-телевизор, вероятно, будет использовать только около 60 Вт электроэнергии во включенном состоянии. Более энергоэффективная светодиодная модель может потреблять всего 55 Вт. Адаптер питания небольшой, встроенный и рассчитан на Телевизор и, возможно, пара USB-портов с питанием.

У нас есть статья о требованиях к питанию для динамиков, но как насчет звуковых панелей? Давайте рассмотрим как верхний, так и нижний предел. Внизу хороший репрезентативный «более дешевый» блок, который должен потреблять наименьшее количество энергии, которое мы ожидали, – это модель звуковой панели VIZIO SB2820n-E0 2017 года (на Amazon). Эта бюджетная звуковая панель рассчитана на потребление энергии 95 Вт.

А верхний предел? Возьмите Nakamichi Shockwafe Ultra (также на Amazon). Это устройство рассчитано на максимальную мощность 1000 Вт! Здесь есть немного больше – у Shockwafe Ultra есть несколько отдельных динамиков, которые необходимо подключать отдельно (см. Наш обзор здесь ), но я уверен, что вы уловили суть: звуковые панели, даже менее дорогие, используют большая мощность по сравнению с телевизорами.

А что насчет сквозного питания?

На этом этапе вы, вероятно, начинаете понимать, почему у вашего телевизора нет простого варианта сквозного питания для питания вашей звуковой панели. Для поддержки такого рода функций производителям телевизоров придется увеличить размер своих адаптеров питания.

И тогда у них возникнет новая проблема, потому что производители могут контролировать, насколько мощные производители звуковых панелей будут делать свои звуковые панели. Увеличивают ли они свой адаптер питания в 2 раза, чтобы он мог поддерживать экран телевизора и VIZIO SB2820n, или они делают его в 10 раз больше, чем нужно, чтобы он мог поддерживать даже Shockwafe Ultra?

Причина, по которой вы не можете отключить звуковую панель от телевизора, в конечном итоге, – это цена. Если телевизоры добавили большие адаптеры для поддержки звуковых панелей, они должны переложить эту стоимость на вас. И просто имеет больше смысла позволить покупателям Shockwafe Ultra платить за адаптер питания, который им нужен при покупке своей звуковой панели, чем заставлять производителей телевизоров добавлять дорогие адаптеры питания.

По виду оптоволокна

По виду оптоволокна ВОК подразделяются на одномодовые и многомодовые. Под модой понимается траектория распространения светового луча внутри световода. ОВ этих видов отличаются диаметром сердцевины и оболочки.

Световой луч вводят в оптическое волокно одним их двух способов:

• под нулевым углом — одномодовое волокно. Возникает лишь одна мода, распространяющаяся прямолинейно;
• под небольшим углом — многомодовое волокно. Образуются много мод, которые распространяются, многократно отражаясь от оболочки, и достигают точки приема за различное время.

Схема ввода светового луча в оптоволокно

Оптоволоконные кабели с одномодовыми волокнами обеспечивают повышенную дальность передачи без восстановления сигнала и лучшую пропускную способность. Для сравнения:

• одномодовое волокно — 100 км, до 200 Тбит/сек;
• многомодовое волокно — 500 м, до 10 Гбит/сек.

Очевиден вывод о эффективности применения одномодовых волоконно-оптических кабелей на магистралях связи большой протяженности и подключения удаленных сегментов высокоскоростных информационных сетей. Для мультимодовых ВОК находится применение при создании локальных кабельных сетей на небольшой территории.

Плюсы и минусы оптоволоконного кабеля

Такой провод имеет положительные и отрицательные стороны. Чтобы сделать окончательный выбор, нужно знать все преимущества и недостатки оптоволоконного кабеля. К положительным качествам можно отнести:

1. Высокую защиту от помех. Оптоволокно не подвержено любому электромагнитному воздействию.
2. Отсутствие проведения электрического тока, что облегчает изготовление блоков для приема и передачи.
3. Информация передается на высоком уровне и является безопасной.
4. Малые затухания не дают сигналу терять свои свойства даже на существенных расстояниях.
5. Увеличенная пропускная способность и широкополосность. Это позволяет передавать одновременно разные сигналы, при этом, не перемешивая их.
6. Небольшой вес изделий.

Оптоволоконный кабель имеет отрицательные свойства:

1. Повышенные требования к персоналу, который проводит обслуживание системы.
2. Невысокую прочность материала, что в случае разрыва приведет к потере качества сигнала, поэтому если интересуетесь, можно ли гнуть оптоволоконный кабель, то ответ отрицательный
3. Потерю сигнала при попадании воды внутрь кабеля.

Типы полировки (шлифовки) оптоволоконных разъемов

Шлифовка или полировка оптоволоконных разъемов служит для обеспечения идеально плотного соприкосновения сердечников оптоволокна. Между их поверхностями не должно быть воздуха, так как это ухудшает качество сигнала.

На данный момент используются такие типы полировки, как PC, SPC, UPC и APC.

PC

PC — Physical Contac. Прародитель всех остальных видов полировки. Разъем, обработанный методом PC (в том числе вручную), представляет собой скругленный наконечник.

В первых вариациях полировки был предусмотрен исключительно плоский вариант коннектора, однако жизнь показала, что плоский вариант дает место воздушным зазорам между световодами. В дальнейшем торцы коннекторов получили небольшое закругление. В класс PC входят заполированные вручную и изготовленные по клеевой технологии коннекторы. Недостаток данной полировки заключается в том, что возникает такое явление как «инфракрасный слой» — в инфракрасном диапазоне происходят негативные изменения на торцевом слое. Данное явление ограничивает применение коннекторов с такой полировкой в высокоскоростных сетях (>1G).

Полировка типа PC оптических разъемов

Обратите внимание, на рисунке видно, что соединение коннекторов с плоским торцом чревато, как упоминалось ранее, возникновением воздушной прослойки. В то время как скругленные торцы соединяются более плотно

Данный тип полировки может применяться в сетях небольшой дальности, предполагающих небольшую скорость передачи данных.

SPC

SPC — Super Physical Contact. По сути та же PC, только сама полировка является более качественной, т.к. она уже не ручная, а машинная. Также был сужен радиус сердечника и материалом наконечника стал цирконий. Дефекты полировки конечно снизить удалось, однако проблема инфракрасного слоя осталась.

UPC

UPC- Ultra Physically Contact. Данная полировка осуществляется уже сложными и дорогими системами управления, в результате чего проблема инфракрасного слоя была устранена а параметры отражения значительно снижены. Это дало возможность коннекторам с данной полировкой применяться в высокоскоростных сетях.

UPC — почти плоский (но не свосем) разъем, который производится с применением высокоточной обработки поверхности. Дает отличные показатели отражательной способности (по сравнению с PC и SPC), поэтому активно применяется в высокоскоростных оптических сетях.

Коннекторы с этим типом разъема чаще всего — синие.

Разъем с полировкой типа UPC

APC

АРС — Angled Physically Contact. На данный момент считается, что наиболее действенным способом снижения энергии отраженного сигнала является полировка под углом 8-12°. Такая полировка поверхности дает самые лучшие результаты. Обратные отражения сигнала практически сразу покидают покидают оптоволокно, и благодаря этому снижаются потери. В таком исполнении отраженный световой сигнал распространяется под большим углом, нежели вводимый в волокно.

Разъемы с полировкой APC применяются в сетях с высокоми требованиями к качеству сигнала: передача голосовых, видеоданных. Как пример — кабельное телевидение.

Коннекторы с этим типом разъема — зеленого цвета.

Разъем с полировкой типа APC

Коннекторы с шлифовкой APC не подходят к разъемам с другой полировкой (PC, SPC, UPC) и вызывают взаимное повреждение.

Полировки PC, SPC, UPC взаимно совместимы.

Сравнение внешнего вида разъемов с полировками UPC и APC

Сравнение формы наконечника и пути отраженного сигнала в разъемах с полировкой UPC и APC:

Отражения в стыках разъемов UPC и APC

Сводные данные можно посмотреть в таблице ниже.

Как видим, полировка UPC (скругленные торцы) и APC (скошенные торцы) — эффективнее всего. Поэтому патчкорды и пигтейлы с этим типом шлифовки чаще всего применяются.

Первое знакомство с новой технологией

Полтора десятка лет назад на подстанцию 330 кВ, где я работал, пришло новое оборудование, осуществляющее регистрацию и обработку информации электрических сигналов от сети очень большего количества датчиков, расположенных в разных местах — регистратор «Парма».

Это обыкновенный компьютер со своим программным обеспечением, выполняющий чисто электротехнические задачи.

Его монтаж, подключение и наладка были поручены нам за исключением сборки и настройки оптоволоконных магистралей. Опыта работы с ними мы не имели.

До этого момента связь с этими датчиками происходила по обычным электрическим цепям, которые называют вторичными. Однако целая группа этих устройств находилась на большом удалении. Проект предусматривал обмен информацией с ними по оптоволоконному кабелю. Его внутрь кабельного канала мы укладывали сами, а подключением и проверкой занимался приехавший из Санкт Петербурга представитель производителя.

Именно тогда стало понятно, что без специализированного оборудования и должных навыков работать с оптоволокном нельзя. Своими руками с ним ничего сделать невозможно.

Конструкция оптоволоконного кабеля

Передача информации происходит по оптическим магистралям, состоящим из отдельных носителей, объединённых в общую конструкцию — кабель оптоволокна.

Принцип работы оптического носителя

Обмен информацией происходит за счет прохождения света лазера от встроенного светодиода. Его передача осуществляется импульсами двоичного кода в одном направлении. Поэтому для обмена сведениями создано сразу два индивидуальных канала.

О конструкции кабеля

Стекло относится к хрупким материалам. Его можно легко разбить, а оптоволокно работает за счет использования стеклянных волокон. Понятно, что они требуют надежной защиты как от механических повреждений, так и от потерь световой энергии.

С этой целью оптические носители разными способами объединяют в жесткие модули и создают из них оптоволоконный кабель. Он может быть разной конструкции. Одна из них показана на схеме.

У нас на подстанции были использованы два вида кабеля: один диаметром 6 мм, а второй толщиной указательного пальца руки.

Довольно подробно вопрос этой технологии изложен в видеоролике GalileoRU «Оптоволокно».

Оптическое цифровое подключение

При оптическом цифровом подключении данные передаются по оптоволоконному кабелю (волокна которого могут быть изготовлены из пластмассы, стекла или кварца) посредством света. В таком случае шум из источника на контур ЦАП не переносится, как это может произойти с коаксиальным, поэтому его разумно использовать при подключении устройства напрямую к ЦАП саундбара или AV-ресивера.

Традиционно в системах ДК оптические кабели используются для передачи сжатого многоканального звука в форматах Dolby Digital и DTS. Те, что с разъемом Toslink (Toshiba Link), подключаются к соответствующим портам источника и AV-ресивера. Неплохим начальным вариантом будет кабель QED Performance Graphite Optical.

Многие производители перешли на HDMI в качестве основного типа разъемов, однако оптические выходы все еще регулярно встречаются у таких устройств, как игровые консоли, Blu-ray-проигрыватели, ТВ-приставки и телевизоры. Соответствующие входы можно обнаружить на стороне усилителя или ЦАП – например, в саундбарах или AV-ресиверах.

Как и в случае с коаксиальным подключением, одной из проблем оптического оказывается недостаток пропускной способности для передачи аудиоформатов без потерь – например, Dolby TrueHD или DTS-HD Master Audio, в которых записаны большинство саундтреков на Blu-ray-дисках. Кроме того, оптическое подключение не способно передавать сигналы более двух каналов несжатого потока в PCM. И, наконец, оптический кабель можно повредить, если слишком сильно согнуть его.

Преимущества оптического выхода

Главное преимущество оптоволоконных линий пересылки аудиосигнала – это практически полное отсутствие искажения звука от электромагнитных полей, которые с избытком присутствуют в среде обитания человека. Здесь кабели с металлическими жилами-проводниками могут заметно проигрывать оптоволоконным системам в качественной передаче аудиосигнала. В результате акустическая система будет воспроизводить звук с искажением.

Кроме того, при использовании оптического канала передачи достигается полная гальваническая развязка между передающим и приемным устройствами. Это также положительно влияет на качество передачи аудиосигнала. Паразитные наводки по плохим шинам «земли» (Ground) – бич звуковой аппаратуры. Сами оптические системы не создают электромагнитные помехи.

Недостатки оптоволоконного кабеля

Настал тот самый черед поговорить о некоторых недостатках оптоволоконного кабеля. В первую очередь следует выделить особую сложность соединения. Если кабель поломался, что для него очень вредно, соединить его может только мастер со специальной паяльной станцией. Скрутки медных проводов, как можно было делать раньше, уже не прокатят.

Второй момент связан с тем, что оптоволоконный кабель нельзя ни в коем случае сгибать. Его можно свернуть в кольцо и скорость интернета никак не пострадает вследствие этого. Однако оптоволокно, как и обычную трубу, нельзя сгибать и ломать. Помните в начале статьи я рассказывал про маленькие трубки в оптоволоконном кабеле? Так вот, они легко ломаются, и кабель в данном месте придётся перепаивать.

Во всем же остальном, оптоволоконный кабель, как и интернет, передаваемый по нему, во всем переигрывает кабеля с медными жилами.

Структура оптического волокна

Оптическое волокно (оптоволокно) – это волновод с круглым поперечным сечением очень малого диаметра (сравним с толщиной человеческого волоса), по которому передается электромагнитное излучение оптического диапазона. Длины волн оптического излучения занимают область электромагнитного спектра от 100 нм до 1 мм, однако в ВОЛС обычно используется ближний инфракрасный (ИК) диапазон (760-1600 нм) и реже – видимый (380-760 нм). Оптическое волокно состоит из сердцевины (ядра) и оптической оболочки, изготовленных из материалов, прозрачных для оптического излучения (рис. 1).

Рис. 1. Конструкция оптического волокна

Свет распространяется по оптоволокну благодаря явлению полного внутреннего отражения. Показатель преломления сердцевины, обычно имеющий величину от 1,4 до 1,5, всегда немного больше, чем показатель преломления оптической оболочки (разница порядка 1%). Поэтому световые волны, распространяющиеся в сердцевине под углом, не превышающим некоторое критическое значение, претерпевают полное внутреннее отражение от оптической оболочки (рис. 2). Это следует из закона преломления Снеллиуса. Путем многократных переотражений от оболочки эти волны распространяются по оптическому волокну.

Рис. 2. Полное внутреннее отражение в оптическом волокне

На первых метрах оптической линии связи часть световых волн гасят друг друга вследствие явления интерференции. Световые волны, которые продолжают распространяться в оптоволокне на значительные расстояния, называются пространственными модами оптического излучения. Понятие моды описывается математически при помощи уравнений Максвелла для электромагнитных волн, однако в случае оптического излучения под модами удобно понимать траектории распространения разрешенных световых волн (обозначены черными линиями на рис. 2). Понятие моды является одним из основных в теории волоконно-оптической связи.

Типы полировки

Полировка оптического волокна: PC, UPC и APC

• PC: Physical Contact (Физический контакт). Обойма скошена и обработана на ровной поверхности. Это позволяет избежать пустых пространств между наконечниками соединяемых разъемов и обеспечивает вносимые потери в диапазоне от -30 дБ до -40 дБ. Его использование все чаще выпадает.
• UPC: Ultra Physical contact (Ультра физический контакт). Они аналогичны PC разъемам, что позволяет снизить возвратные потери до предела от -40 до -55 дБ благодаря более четкой кривой скоса. Текущий тренд использует его в мертвых строках, чтобы позволить операторам выполнять тесты сетей, например, с помощью рефлектометра.
• APC: Angled Physical Contact (Угловой физический контакт). Наконечник заканчивается плоской наклонной поверхностью под углом 8 градусов, что делает его разъемом, обеспечивающим наилучшую оптическую связь, поскольку он снижает возвратные потери до -60 дБ, что позволяет увеличить количество пользователей в одномодовых волокнах. По этой причине, в сочетании с постоянно снижающимися производственными затратами, APC стал наиболее часто используемым видом полировки.

До оптоволокна: DSL и кабель

Цифровая абонентская линия (DSL) использовала существующие телефонные линии для передачи данных, которые обычно делались из меди. DSL медленный, старый, и по большей части был поэтапно отменен в пользу кабеля, но он остается в некоторых сельских районах. Средняя скорость для DSL составляет около 2 Мбит/с.

Кабельный интернет использует коаксиальный кабель, также изготовленный из меди, и, как правило, поставляется с такими же кабелями, которые используются для управления телевизионной сетью. Вот почему многие интернет-провайдеры предлагают в комплекте планы с подпиской на телевидение и доступом в Интернет. Средняя скорость для кабеля варьируется, но колеблется от 20 Мбит/с до 100 Мбит/с.

Коротко о технологии FTTH

Оптоволоконные роутеры не нуждаются в промежуточном оборудовании для подключения к интернету. Оптоволокно заводится в квартиру и подсоединяется напрямую к маршрутизатору. Такая технология называется FTTH.

Оптический роутер, он же FTTH-роутер выглядит и работает как Ethernet-маршрутизатор. Устройство может подключаться к интернету привычным способом, по медному кабелю. Только WAN-порт у него комбинированный, называется SFP-разъём и предназначен для подключения как витой пары, так и оптоволоконного кабеля. 

В остальном всё устроено точно так же: после первичной настройки роутер получает интернет от провайдера и раздаёт его на устройства в квартире.

Самый крупный провайдер, предоставляющий подключение этой технологии, — «Ростелеком».

Достоинства современного сетевого кабеля

Производство оптоволоконного кабеля началось еще в середине прошлого века, но процесс это трудоемкий и требовательный. С помощью оптоволокна люди получили возможность пользоваться быстрым интернетом на больших расстояниях, поскольку оно обладает высокой пропускной способностью и позволяют передавать сигнал без искажения и ослабления.

Замечательные свойства оптоволоконных линий обусловили их преимущества относительно других кабелей:

• Высокая производительность скоростной передачи данных даже при пиковых нагрузках в сети (в вечернее время и выходные дни).
• Повышенная защита к помехам.
• Повышенная безопасность при несанкционированном доступе передачи данных (считывание, взлом, сетевые атаки).
• Отсутствие обрывов и задержек передачи данных (в беспроводной сети задержка до 100 миллисекунд, а для спутникового интернета – до 1000 миллисекунд).
• К кабелю подключаются системы видеонаблюдения, охранные системы, и другие умные технологии.
• Прокладывать оптоволокно можно на достаточно большие расстояния без потерь сигнала.
• Электропровод имеет повышенную гибкость и небольшие габариты.
• Защита провода создана из устойчивых к повреждениям материалов.
• Огнеупорность оболочки.
• Долговечная эксплуатация.

Специалисты говорят о том, что пользователи, применяющие оптоволоконные сети, могут быть уверены в бесперебойности работы интернета. Оптическое волокно имеет производительность не хуже, чем привычная витая пара, и разработчики активно пропагандируют новинку на рынках.

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.

• 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.