Волоконно-оптический (оптоволоконный) кабель

Волоконно-оптический кабель, в отличие от коаксиального или кабеля на основе витой пары, передает неэлектрические, а световые сигналы. Особенности оптоволокна делают его идеальной средой для передачи значительного объема информации при больших скоростях на длинные расстояния. Преимущества оптического кабеля заключаются в высокой пропускной способности, высокой помехозащищенности, хорошей защите от несанкционированного доступа, малом диаметре, небольшом весе, отсутствии необходимости в заземлении и большой дальности передачи. К недостаткам оптических кабелей можно отнести сложность монтажа и высокую стоимость оптических сетевых устройств.

Волоконно-оптический кабель – это среда передачи, состоящая из оптических волокон, заключенных в защитную внешнюю оболочку.

Для обеспечения необходимой механической прочности и предотвращения больших механических напряжений в волоконно-оптическом кабеле вводятся специальные силовые элементы. Это могут быть стальная, медная, алюминиевая проволоки, арамидные нити и стеклопластиковые стержни. Силовые элементы размещаются в центре (для большей гибкости) и на периферии (для большей стойкости к ударам и растягивающим нагрузкам).

Оптическое волокно состоит из светопроводящего сердечника (световодной жилы) и окружающей его оболочки с разными коэффициентами преломления. Действие оптического волокна основано на эффекте полного внутреннего отражения света при переходе из среды с большим коэффициентом преломления в среду с меньшим коэффициентом преломления. Сердечник, по которому происходит распространение светового сигнала, изготавливается из оптически более плотного материала. Волокна различаются диаметром сердечника и оболочки, а также профилем показателя преломления сердечника. В обозначении волокна через дробь указываются значения диаметров сердечника и оболочки волокна. Важнейшими параметрами оптического волокна являются затухание и дисперсия.

Рис. 3.47 Волоконно-оптический кабель

 

Оптические волокна делятся на две основные группы: многомодовые (Multi-Mode optical Fiber, MMF) и одномодовые (Single-Mode optical Fiber, SMF).

В стандартах определены два наиболее употребительных многомодовых волокна: 62,5/125 мкм и 50/125 мкм, где 62,5 мкм или 50 мкм – это диаметр сердечника, а 125 мкм – диаметр оболочки. Так как диаметры световодной жилы (50 и 62,5 мкм) на порядок выше длины световой волны, то по сердечнику одновременно распространяется множество электромагнитных волн различной модификации, которые называются модами. Входящие в световод под разными углами моды, многократно отражаясь от внутренней поверхности оболочки, проходят по сердечнику неодинаковый путь, вследствие чего достигают приемного конца линии в разное время. Происходит рассеяние мод во времени — дисперсия, в результате которой передаваемые световые импульсы постепенно расширяются. Это нежелательное явление ограничивает полосу пропускания света, которая обратно пропорциональна межмодовой дисперсии. В оптических волокнах полоса пропускания измеряется в мегагерцах на километр (МГц*км).

Многомодовые волокна изготавливают двух видов:

● со ступенчатым изменением показателя преломления;

● с плавным изменением показателя преломления.

Волокно со ступенчатым профилем состоит из сердечника с постоянным показателем преломления на всем сечении, окруженного оболочкой с другим постоянным на всем сечении показателем преломления. Из-за скачкообразного изменения показателя преломления свет отражается от поверхности сердечник/оболочка и проходит внутри сердечника. У волокон со ступенчатым профилем значительная дисперсия, что сильно ограничивает полосу пропускания.

У многомодового волокна с плавным профилем показатель преломления сердечника постепенно меняется на протяжении его сечения. В центре сердечника показатель преломления максимальный; он постепенно снижается к краям сердечника. Из-за плавного изменения показателя преломления световые лучи по мере продвижения по сердечнику искривляются (а не отражаются, как в волокнах со ступенчатым профилем) и образуют в волокне набор синусоидальных световых волн. Дисперсия волокон с плавным профилем по сравнению со ступенчатым профилем ниже, но она все еще значительна и имеет ограничивающий эффект на полосу пропускания.

Рис. 3.48 Многомодовое оптоволокно

 

В качестве источников излучения света в MMF применяются светодиоды с длиной волны 850 нм и 1310 нм. Появление недорогих лазеров VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) позволило использовать их в качестве источников света в многомодовых волокнах для создания высокоскоростных каналов связи до 10 Гбит/с. Максимальная длина многомодового волокна 2 км, поэтому применяется оно, как правило, в локальных сетях небольшой протяженности.

Одномодовое волокно представляет собой волокно со ступенчатым профилем показателя преломления. По сравнению с многомодовым одномодовое волокно имеет очень маленький диаметр сердечника (5-10 мкм, диаметр оболочки одномодового волокна 125 мкм), который сравним с длиной световой волны. В таком волокне распространяется только одна мода. Это устраняет межмодовую дисперсию и увеличивает пропускную способность одномодового волокна. Пропускная способность одномодового волокна превышает 10 Гбит/с.

Рис. 3.49 Одномодовое оптоволокно

Максимальное расстояние передачи по одномодовому волокну может достигать 100 км и больше, благодаря чему оно используется, как правило, на протяженных линиях связи, в городских и региональных сетях.

В качестве источников излучения света в SMF применяются лазеры с длиной волны 1310 нм и 1550 нм. С точки зрения дисперсии наилучший режим распространения достигается на длине волны 1310 нм, но при этом наименьшее затухание сигнала получается на длине волны 1550 нм.

Для повышения эффективности оптического канала осуществляется его временное и волновое мультиплексирование (WDM). Большинство WDM-систем используют для работы одномодовые оптические кабели с диаметром волокна 9/125 мкм. Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF оптимизировано для передачи нескольких длин волн, что позволяет выполнять мультиплексирование WDM.

Классификацию оптических кабелей можно выполнять по:

● назначению;

● условиям применения;

● способу прокладки;

● конструктивным и технологическим особенностям;

● числу оптических волокон и электрических жил.

Волоконно-оптические кабели подразделяются по назначению на:

● магистральные (международные, междугородные);

● внутризоновые (соединительные, междугородные);

● местные (соединительные, распределительные, абонентские);

● внутриобъектовые (станционные, абонентские).

Согласно классификации Международного союза электросвязи (ITU-T), оптические кабели можно разделить на кабели для внешней и внутренней прокладки следующим образом:

● внешние кабели междугородные, межстанционные соединительные и распределительные (воздушный, проложенный в грунте, проложенный в канализации, проложенный в туннеле, подводный);

● внутренние кабели у абонента и на станции (внутри здания).

Защищенность от электромагнитных полей позволяет прокладывать оптические кабели вдоль линий электропередач и вдоль электрифицированных железных дорог (в полосе отчуждения).

Выбор кабеля для внешней прокладки в наибольшей степени зависит от условий, в которых планируется осуществляться его эксплуатация, от характера и силы внешних воздействий. Для внешних кабелей необходимо учитывать воздействие следующих факторов: температуры (усадка оболочки с вытягиванием сердечника, увеличение затухания под воздействием перепадов температуры, хрупкость, ломкость оболочки под воздействием низкой температуры); соленой воды (коррозия несущего троса или брони); дождя или горячего источника (коррозия несущего кабеля и внешней оболочки); постоянного тока (электролитическая коррозия); огня (пожароопасность); ветра, снега и льда (повреждение под давлением и раскачиванием ветра, под тяжестью снега и льда); водорода (увеличение потерь); а также возможность повреждения внешней оболочки кабеля грызунами, птицами и насекомыми.

Для кабелей внутренней прокладки наиболее важным фактором при выборе является его гибкость при прокладке по различным конструкциям здания и пожаробезопасность.

Международный стандарт ISO/IEC 11801 классифицирует различные виды многомодовых и одномодовых волокон для использования в помещениях пользователей. Он определяет четыре класса многомодовых волокон (от ОМ1 до ОМ4) и два класса одномодовых волокон (OS1 и OS2). Эти классы дифференцируются по затуханию и коэффициенту широкополосности (полосе пропускания).

 

Таблица 3.3 Классы многомодовых волокон ISO/IEC 11801

Категория	Диаметр сердечника, нм	Минимальная модальная полоса пропускания, МГц*км
Насыщенное возбуждение	Лазерное возбуждение
850 нм	1310 нм	850 нм
ОМ1	50 или 62,5			н/о
ОМ2	50 или 62,5			н/о
ОМ3
ОМ4

 

Таблица 3.4 Классы одномодовых волокон ISO/IEC 11801

Длина волны, нм	Максимальное затухание, дБ/км
OS1	OS2
	1,0	0,4
	1,0	0,4

 

В стандарте оптические каналы различаются по классам (аналогично категориям кабелей на основе витой пары). OF-300, OF-500 и OF-2000 поддерживают приложения оптического класса на расстояниях до 300, 500 и 2000 м соответственно.

 

Таблица 3.5 Классы каналов ISO/IEC 11801

Затухание канала, дБ
Класс канала	MMF	SMF
850 нм	1310 нм	1310 нм	1550 нм
OF-300	2,55	1,95	1,80	1,80
OF-500	3,25	2,25	2,00	2,00
OF-2000	8,50	4,50	3,50	3,50

 

Разъемов для волоконной оптики существует несколько десятков, но широкое применение нашли только некоторые из них. Это разъемы SC, LC, ST, FC и MT-RJ.

Разъемы типа SC (subscriber connector) широко используются как для одномодового, так и для многомодового волокна. Относятся к классу разъемов общего пользования. В разъеме используется механизм сочленения «push-pull», при котором соединитель защелкивается. Могут объединяться в модуль, состоящий из нескольких разъемов. В этом случае модуль может использоваться для дуплексного соединения (одно волокно которого используется для передачи в прямом, а другое в обратном направлениях). Позволяют достичь большой плотности монтажа на телекоммуникационной панели.

Рис. 3.50 Разъем SC

 

Разъем типа LC миниатюрный вариант SC. Он обеспечивает еще большую плотность монтажа. Помещен в прочный термостойкий пластмассовый корпус типа с механизмом «push-pull». Может использоваться для дуплексного соединения.

Рис. 3.51 Разъем LC

 

Разъем типа SТ (straight tipconnector) использует быстро выполняемое байонетное соединение, которое требует поворота разъема на четверть оборота для осуществления соединения/разъединения. Применяется как для одномодового, так и для многомодового кабеля. Самый дешевый разъем.

Рис. 3.52 Разъем ST

 

Разъемы типа FC аналогичны ST, но с резьбовой фиксацией. Ориентированы на применение с одномодовым кабелем, но могут быть использованы и для многомодового кабеля.

Рис. 3.53 Разъем FC

 

Разъем типа MT-RJ представляет собой миниатюрный дуплексный разъем.

 

Рис. 3.54 Разъем MT-RJ

 

Кабельные системы

Кабельная система представляет собой совокупность кабелей различных типов (оптических, на основе витой пары), кроссовых кабелей (патч-кордов), разъемов для кабелей, соединительных розеток, коммутационных или кроссовых панелей (патч-панелей), монтажных шкафов и телекоммуникационных стоек, предназначенных для подключения к компьютерной сети различных сетевых устройств.

Рис. 3.55 Патч-панель

Рис. 3.56 Телекоммуникационная стойка

Оборудование, используемое для организации компьютерной сети, можно разделить на два вида: пассивное и активное.

Компоненты кабельной системы представляют собой пассивное сетевое оборудование, сетевые устройства, которые они соединяют, являются активным сетевым оборудование.

Пассивное оборудование представляет собой сетевые устройства, не потребляющие электричества и не вносящие изменений в сигнал на информационном уровне. Активным сетевым оборудованием являются электронные и электронно-оптические устройства, обрабатывающие, формирующие, преобразующие и коммутирующие электрические, радио- и/или оптические сигналы. Для передачи и получения сигналов активное сетевое оборудование использует дополнительные источники энергии, т.е. для работы ему требуется электроэнергия.

Рис. 3.57 Виды сетевого оборудования