Оптоволоконная связь

Почему так востребованы волоконно-оптические линии?

Волоконно-оптические сети пользуются огромной популярностью и постепенно вытеснили медные аналоги не случайно. Они могут использоваться где угодно: внутри здания или вне его, кабели для организации передачи сигнала объединяют какое угодно количество территорий, независимо от их площади и протяженности.

Медный кабель достаточно дорогой, что выглядит привлекательно в глазах любителей быстрой наживы, которые периодически вырезают их. В этом плане оптоволоконные сети совершенно неинтересны для мошенников.

Популярность волоконно-оптических линий также объясняется следующими факторами:

• Широкополостное пропускание сигнала частотой 1014 Гц — одно из главных преимуществ. Это позволяет передавать по одному волокну информационный поток со скоростью нескольких терабит в секунду, при этом даже на сверхдлинных магистралях не использовать повторители.
• Имеют малый объем и вес в сравнении с медными и другими аналогами, даже при наличии толстой защитной оболочки.
• Минимальная дисперсия и низкое затухание сигнала в волокне позволяет передавать его на расстояние более 100 км без ретранслятора.
• Выпускаются из материала, непроницаемого для волн и любых помех.
• Имеют высокие изоляционные характеристики, что позволяет связывать в единую систему устройства, заземленные на разных этажах или в разных частях здания. При этом можно не беспокоиться, что при резко возникшей разнице потенциалов в сети оборудование выйдет из строя.
• Обладают стойкостью к пожару и взрывам, что позволяет прокладывать оптоволоконную магистраль на нефтеперерабатывающих, химических и других особоопасных предприятиях.
• Оптическое волокно практически не передает излучение в диапазоне радиоволн, что обеспечивает максимальную защиту информации от посторонних лиц. Это позволяет организовать сеть где угодно: в банковских, правительственных и других учреждениях, где защита данных на первом месте.

Волоконно-оптический кабель экономичен, в 2,5 раза дешевле медных аналогов, так как изготовлен из недорогого кварца. Это тем более актуально, если учесть высокую передающую способность волокна без ретранслятора. Срок службы оптического волокна — не меньше 25 лет, кроме того, его можно использовать совместно с проводниками из меди.

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.

Разновидности кабелей

Кабель формируют:

1. Ядро.
2. Оболочка.
3. Защитный кожух.

Волокно реализует полное отражение сигнала. Материалом первых двух компонентов традиционно выступает стекло. Иногда находят дешёвую замену – полимер. Оптические кабели объединяют сплавлением. Выравнивание ядра потребует сноровки. Мультимодовый кабель толщиной свыше 50 мкм паять проще. Две глобальные разновидности различаются количеством мод:

• Мультимодовый снабжён толстым ядром (свыше 50 мкм).
• Одномодовый значительно тоньше (менее 10 мкм).

Парадокс: кабель меньших размеров обеспечивает дальнюю связь. Стоимость четырёхжильного трансатлантического составляет 300 млн. долларов. Сердцевину покрывают светоустойчивым полимером. Журнал Новый учёный (2013) обнародовал опыты научной группы Университета Саутгемптона, покрывших дальность 310 метров… волноводом! Пассивный диэлектрический элемент показал скорость 77,3 Тбит/с. Стены полой трубки образованы фотонным кристаллом. Информационный поток двигался со скорость 99,7% световой.

Фотонно-кристаллический фибер

Новая разновидность кабелей образована набором трубок, конфигурация напоминает скруглённые пчелиные соты. Фотонные кристаллы, напоминают природный перламутр, образуя периодические конформации, отличающиеся коэффициентом преломления. Некоторые длины волн внутри таких трубок затухают. Кабель демонстрирует полосу пропускания, луч претерпевая брэгговскую рефракцию отражается. Благодаря наличию запрещённых зон когерентный сигнал двигается вдоль световода.

Первая конструкция Йе и Йарива (1978) представлена двумя и более концентрическими слоями разных материалов. Конструкции постоянно дополняются свежими видами. Рассел (1996, автор термина фотонно-кристаллический фибер) представил сотовый набор волокон, двумя годами позже догадались сердцевину заменить пустотой. Достигнутые затухания впечатляют:

1. Полые – 1,2 дБ/км.
2. Сплошные – 0,37 дБ/км.

Технология производства сродни традиционной. Сравнительно толстую заготовку постепенно вытягивают. Выходит волос длиной в километры. Материалы проходят стадию исследований.

Особенности и основные преимущества ВОЛС

Волоконно-оптические системы связи в настоящее время получили широкое распространение по всему миру, постепенно вытесняя другие проводные способы передачи данных благодаря своим особенностям и уникальным характеристикам.

Давайте более подробно рассмотрим некоторые ключевые моменты, чтобы понимать, в чем преимущество волоконно-оптической связи:

• пропускная способность. Это одна из основных характеристик, которая важна для линии связи. Потенциал одного канала позволяет выйти на объем в несколько терабит за секунду;
• универсальность. По оптическому кабелю можно передавать сигналы различной модуляции;

минимальный коэффициент затухания. Благодаря этому качеству, длина участка сети без использования дополнительных ретрансляторов или усилителей может достигать до 100 километров;

безопасность данных. К волоконно-оптической линии практически невозможно подключится злоумышленнику – в случае физического нарушения целостности канала сигнал перестанет проходить сквозь кабель, а надежное кодирование убережет от перехвата информации при помощи программных средств. Дополнительно система безопасности предупредит о попытке проникновения и взлома. Именно благодаря такой особенности, оптические кабели используют различные организации (правоохранительные органы, банки, исследовательские компании), которые работают с секретными данными;

пожарная безопасность. Благодаря своему строению и используемым материалам, оптико-волоконные кабели не поддерживают горение и не приводят к образованию искры. Это позволяет использовать их на химических, нефтеперерабатывающих и других предприятиях с повышенным уровнем пожарной опасности;

экономическая выгода. Несмотря на то, что стоимость прокладывания линии довольно высокая, она все равно будет дешевле и качественнее, чем традиционное соединение с использованием медного кабеля. Дополнительно стоит учесть минимальные расходы на усилители сигнала, особенно, если речь идет о больших участках магистралей. Для сравнения, ретрансляторы при стандартном подключении должны устанавливаться каждые 5-7 километров, а при использовании оптико-волоконного кабеля – каждые 100 километров;

надежность и долговечность. При использовании соединения в стандартных климатических условиях, срок службы кабеля и соединительного оборудования будет примерно в два раза больше, чем при эксплуатации медного кабеля.

Благодаря этим преимуществам линии связи на основе оптико-волоконных соединений пользуются большой популярностью в наше время по всему миру.

Больше о волоконно-оптических линиях связи и их особенностях проектирования можно узнать на ежегодной выставке «Связь».

Оптико волоконная связьВоздушные линииАппаратура линий связи

13.2. Требования по надежности, предъявляемые к строительным длинам волоконно-оптических кабелей связи

Для строительных длин волоконно-оптических кабелей основными показателями надежности являются срок службы строительной длины кабеля и сохраняемость строительной длины кабеля.

Срок службы строительной длины кабеля — календарная продолжительность работоспособного состояния строительной длины кабеля с момента ввода в эксплуатацию до момента времени, при котором стоимость технического обслуживания и ремонта данной строительной длины кабеля становится сопоставимой с прокладкой новой строительной длины кабеля.

Сохраняемость строительной длины кабеля — свойство строительной длины кабеля сохранять в заданных пределах электрические, оптические и механические параметры в течение срока транспортировки и хранения в оговоренных технических условиях. Минимальный срок службы строительной длины ВОК должен быть не менее 25 лет. Срок службы строительных длин ВОК соответствует заданным значениям только при условии, что при строительстве и эксплуатации ЛКС соблюдались нормативы к соответствующим требованиям параметров оптических кабелей. Минимальный срок сохраняемости строительных длин ВОК при хранении в отапливаемых помещениях 25 лет, в полевых условиях под навесом — 10 лет. Срок сохраняемости строительных длин ВОК соответствует заданным значениям только при условии, что при транспортировании и хранении соблюдались нормативы к соответствующим требованиям параметров оптических кабелей.

Поэтапный состав испытаний строительных длин ВОК и перечень испытываемых параметров, а также методики испытаний устанавливаются конкретной программой испытаний на заводе-изготовителе при сертификации ОК.

Соответствием нормам показателей надежности строительных длин ОК является гарантия завода-изготовителя.

История волоконно-оптической связи

Волоконно-оптическая связь является новой технологией передачи информации на значительные расстояния без потери качества сигнала.

Информация транслируется по специальному кабелю, а в качестве среды распространения выбраны колебания электромагнитного поля в инфракрасном оптическом диапазоне.

Благодаря своей колоссально пропускной способности, волоконно-оптические линии связи не имеют аналогов среди других способов передачи больших объемов информации.

Стремительное развитие информационных технологий не могли удовлетворить существующие способы связи, наше общество постепенно интегрировалось в информационное поле, что требовало новых подходов к выбору способов и методов коммуникации.

С момента изобретения первых радиостанций прошло немного времени, но требовались новаторские технологические решения, которые могли бы обеспечить не сиюминутные потребности человечества, а работали бы на перспективу.

Теоретические разработки ученых и первые эксперименты доказали, что возможность трансляции информационного потока с использованием света существенно эффективнее, чем передача сигнала посредством радиоволн в различных диапазонах.

Первые рабочие разработки были предложены в 1966 году – ученые показали кабель из обыкновенного стекла, в надежде, что он станет заменой коаксиальному проводу. Первый волоконно-оптический кабель связи имел очень большой коэффициент затухания, что было неприемлемым.

Исследования продолжались, но оставалось две основных проблемы – что использовать в качестве носителя сигнала и каким должен быть источник света для максимально эффективной передачи большого объема информации с минимальными потерями. Решение нашлось только в 70-х годах прошлого века, когда были изобретены новые лазеры и появились новые материалы в качестве основы для кабеля.

За последующие неполные полвека строительство волоконно-оптических линий связи пережило настоящий бум:

• в 1988 году была завершена прокладка первой масштабной линии связи между Японией и США;
• в 2003 году впервые была достигнута скорость передачи сигнала около 11 Тбит/сек;
• в 2009 году испытания в области скоростной передачи данных преодолели новый рубеж – ученым удалось транслировать поток 15.5 Тбит/сек без потери скорости на расстояние около 7000 км.

Исследования продолжаются, во всем мире происходит прокладка волоконно-оптических линий связи, которые позволяют передавать большие объемы информации на значительные расстояния. Этот метод вошел в основу скоростного доступа к сети Интернет, существенно обогнав по ключевым параметрам другие популярные способы подключения.

1.3. Производство оптических кабелей в России и за рубежом

Рисунок 1.3 – Динамика роста продаж волоконно-оптических кабелей (тыс.км)

Анализируя состояние и развитие телекоммуникаций в мире, можно отметить устойчивый рост объемов прокладки волоконно-оптического кабеля (ВОК) в мире, ввод в эксплуатацию новых и усовершенствование существующих волоконно-оптических систем и, как следствие, рост объемов производства и продаж ВОК.

Динамика роста продаж ВОК представлена на рисунке 1.3.

Доля различных типов ВОК в мировой торговле приведена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 – Доля различных типов ВОК в мировой торговле

В таблице 1.1 представлены данные по фактическому производству оптических волокон в России.

Таблица 1.1 – Объемы производства оптических волокон в России

Стабильный рост производства оптических кабелей в России, при общем спаде производства кабелей связи, подтверждает мировые тенденции. Однако общий объем российского производства и рынка ничтожно мал в сравнении с мировыми показателями. В таблице 1.2 представлены объемы импорта оптических кабелей в России в тыс. долларов США.

Таблица 1.2 – Объемы импорта оптических кабелей в Россию

Несмотря на решение «Ростелекома» использовать для прокладки только отечественные оптические кабели, другие потребители – «Газтелеком», РАО ЕЭС предпочитают использовать импортные оптические кабели.

По прогнозам ВНИИКП предполагается, что с 2004 года потребление волоконно-оптических кабелей должно быть не менее 1400 тыс. км./год в одноволоконном исчислении.

В таблице П.1 Приложения 1 приведены основные российские производители оптических кабелей, обеспечивающие до 80% выпуска.

Общие сведения о ВОК

• Введение
• Классификация оптических кабелей связи
• Основные конструктивные элементы ОКС
• Градиентное многомодовое волокно
• Функциональные свойства оптических волокон

Книги о ВОК и оборудовании

• Книга «Рефлектометрия оптических волокон»
• Книга «Оптические волокна для линий связи»

Т. к. на сегодняшний день в Российской Федерации нет единой системы обозначения марок оптических кабелей, мы посчитали, что брать за эталон обозначения какого-либо завода и выдавать это за должное было бы по меньшей мере несправедливо, на нашем сайте опубликованы таблицы соответствия разных обозначений оптических кабелей российских производителей.

Применение линий оптоволоконной связи

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

Волокна

Тип оптических волокон, а также их число (которых много не бывает), являются основной характеристикой линии связи.

* Волокна типа OM1 и ОМ2 считаются устаревшими (подразумевали использование только светодиодных передатчиков), хотя до сих пор обеспечивают передачу данных до 10Гбит/с, хоть и на линиях небольшой длины;** Волокна типа OS1 имели несколько разновидностей и уже около 10 лет назад у многих производителей они соответствовали текущему OS2. В настоящее время OS1 практически не встречается; *** Производители SFP-модулей зачастую заявляют большую дальность – около 1 км; **** Производители SFP-модулей зачастую заявляют большую дальность – 10 км.

Небольшие комментарии к таблице:

• рядом со стандартом через @ указана длина волны. У оптических волокон есть так называемые “окна прозрачности” в которых затухание минимально (это – 850 нм, 1310 нм и 1550 нм, но производители волокон не стоят на месте и увеличивают их количество);
• хотя и производителей кабелей много, но волокна производит только небольшое количество фирм: самые известные это конечно Corning (да-да, именно их стекла Gorilla Glass большинство знает) и Fujikura, но стоит упомянуть и ofs, Hitachi Cable, Sumitomo Electric и Draka NK Cables;
• OM1-OM4 – это обозначения многомодовых кабелей принятых в ISO 11801 и они отличаются от тех, что приняты в стандартах IEC 60793-2-10 и TIA/EIA. Но в основном обозначения на сайтах производителей и поставщиков указываются именно согласно ISO11801;
• появился кабель типа OM5 (в ноябре 2017 г.), но он пока слабо распространен и насколько окажется “живуч” – не понятно.

Выбор типа волокна является комплексной задачей, в которой как правило два участника – “кабельщик” (СКСник) и “сетевик”, так как цена линии будет складываться из стоимости кабельной линии и SFP-модулей. Если для административных зданий обычно применяются многомодовые волокна, то на “дальние” дистанции и на территории заводов – одномод. Именно согласно подобранному типу волокон подбираются все остальные “комплектующие”.

Ну и из разряда треша: на небольших дистанциях можно использовать кабель с многомодовыми волокнами совместно одномодовыми передатчиками и коммутационными шнурами. Но так лучше не делать

Кабельная конструкция

Одним из недостатков оптических волокон, как было указано выше, является их относительная хрупкость, поэтому для защиты применяются различные технологии (в зависимости от сферы применений). Для административных зданий типовой выбор – с плотным буфером (tight buffer) с усилением кевларовыми нитями.

Пара слов о буфере, который первым “защищает” световод (волокно в первичном покрытии) и бывает 3-х видов:

• плотный (tight buffer) – cлой покрытия непосредственно прилегает к световоду, на который нанесено первичное покрытие. Минусы возникают при длительном хранении – буферное покрытие становится хрупким и плохо очищается, что вызвало появление других типов буфера, хотя материалы для плотного буфера развиваются и данный тип оболочки становится универсальным (есть сомнения при выборе буфера );
• полуплотный (semi-tight buffer) – между буфером и световодом с первичным покрытием есть небольшой зазор, который позволяет волокну скользить в нем. Данный тип волокна не годится для коммутационных шнуров и монтажники сразу должны знать, что будут варить полуплотный буфер;
• свободный (loose tube) – между световодом в первичном покрытии и буфером есть большой зазор. Применяется в основном для наружной прокладки, ставить клеевые коннекторы на такие кабели нельзя.

Информация утащена отсюда.

Остальные нюансы – аналогично электрическим кабелям, разве что вопрос с экранированием не стоит

Если у кабеля есть броня, то на вводе в здание ее нужно заземлить – для этого можно применить ВКР-1 производства «Связьстройдеталь» или Scotchlok 4460-D/FO производства 3M.

Отмечу, что использование специальных лотков для оптических кабелей на мой взгляд похоже на выманивание денег, так как стоят они ровно в 10 раз дороже, чем обычные проволочные.

Диапазоны волн передачи сигналов[править | править код]

Каждый из факторов, который вносит свой вклад в ослабление передачи сигнала оптическим волокном и дисперсию, зависит от длины волны излучения используемого для передачи сигналов, однако существуют участки длин волн, где эти эффекты проявляются слабее, делая эти полосы или окна самыми благоприятными для передачи. Эти окна «прозрачности» были стандартизированы, и их обозначают следующим образом:

Это разделение по длинам волн показывает, что существующая технология позволила объединить второе и третье окна прозрачности кварца в одно окно. Первоначально, эти окна прозрачности кварца были не пересекающимися.

Исторически, первым используемым диапазоном длин волн был диапазон от 800 нм до 900 нм; однако высокие потери в этом диапазоне ограничивали его использование тлько для связи на коротком расстоянии. Второе окно прозрачности — находится в области приблизительно 1310 нм, и имеет намного более низкие потери. Созданы волокна имеющие в этом диапазоне нулевую дисперсию. Третье окно прозрачности — находится в области 1550 нм и оно наиболее широко используется в настоящее время. Эта область имеет самые низкие потери ослабления сигнала и, следовательно, наиболее подходит для связи на большие расстояния. Тем не менее волокна в этой области имеют небольшую дисперсию и необходимо использование специальных «компенсаторов дисперсии» для компенсации вызванных ею потерь.

Оптические кабели для протяжённых линий связи в районах вечномёрзлых грунтов

Огромные территории России находятся в зоне вечной мерзлоты. Прокладка кабелей связи в вечномерзлых грунтах всегда представляла труднейшую задачу. В России накопился определённый опыт по такой прокладке. Этот опыт можно использовать и для прокладки оптических кабелей.

Не останавливаясь на технологии прокладки кабельных линий связи в вечномёрзлых грунтах, рассмотрим требования к оптическим кабелям, прокладываемым в данных грунтах. В систематизированном виде эти требования были рассмотрены рабочей группой «Q», созданной в 1995 году совместно ОАО «Ростелеком» и кабельным департаментом фирмы «Siemens» , ФРГ. В течение трёх лет группа «Q» вела разработки оптических кабелей для вечномерзлых грунтов. Эти разработки позволили сделать следующие выводы:

• для прокладки в вечномёрзлый грунт оптические кабели должны быть бронированными с круглой проволочной бронёй, допустимые растягивающие механические напряжения которой составляют не менее 50 кН;

• эти кабели (как и другие оптические кабели протяжённых линий) не должны иметь других металлических элементов, прежде всего металлического центрального стержня;

• перепад диаметров кабеля и соединительной муфты для него должен быть минимальным с плавным конусообразным переходом, чтобы исключить влияние разницы в выталкивающих силах в случае «пучинистых» явлений;

• при прокладке кабелей следует обходить места с «пучинистыми» явлениями грунтов;

• конструкции соединительных муфт для кабелей в вечномёрзлых грунтах близки к конструкциям муфт для подводных кабелей: эти муфты делаются минимально возможных диаметров при конусообразных плавных перепадах до размеров кабеля.

Кроме того в России проведены исследования по определению возможности прокладки оптических кабелей в вечномёрзлых грунтах в защитных полиэтиленовых трубах (в специализированной лаборатории филиала ОАО «Ростелеком» в Иркутске). Исследования в течение десяти лет показали, что технология прокладки в вечномёрзлых грунтах оптических кабелей в кабельных трубопроводах вполне реализуема. Показано, что замерзание воды в трубе не приводит к повреждениям кабеля. При строительстве по этой технологии в районах вечной мерзлоты остаётся проблема размещения контейнеров оперативного доступа, в которых укладываются кабельные муфты. Поскольку размеры этих контейнеров велики по сравнению с диаметром труб, их следует размещать на участках трассы, не подверженных «пучинистым» явлениям, а в котлованах под контейнеры делать песочные «подушки».