Что такое волоконно-оптические линии связи, принципы работы и особенности

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) - это системы передачи информации, в которых в качестве среды передачи используется оптическое волокно, а сигнал передается в виде световых импульсов, а не электрических.

Ключевой физический принцип, благодаря которому свет распространяется по оптическому волокну без выхода за его пределы – это эффект полного внутреннего отражения света.

Кабель ВОЛС состоит из сердцевины и оболочки. Снаружи на оболочку наносят защитное покрытие. Сердцевина и оболочка имеют разные коэффициенты преломления. В результате если угол падения света на границу сердцевина-оболочка больше критического угла, свет полностью отражается обратно в сердцевину, не выходя наружу. Этот процесс повторяется многократно вдоль волокна, что позволяет свету «змеевидно» идти по кабелю на большие расстояния без существенных потерь.

Упрощенно цепочка передачи сигнала от электрического сигнала до светового и обратно выглядит следующим образом:

• Исходные данные поступают на оптический передатчик от источника, например, сервера, в виде электрического сигнала. Этот электрический сигнал с помощью светодиода преобразуется в световой сигнал. При этом передатчик может модулировать интенсивность, частоту или фазу светового импульса в соответствии с исходными данными.
• Сформированный световой сигнал направляется по оптоволоконной линии связи, используя принцип полного внутреннего отражения, как описано выше, что обеспечивает высокую скорость передачи и минимальные потери.
• На принимающей стороне световой сигнал улавливается фотодиодом и преобразуется обратно в электрический сигнал.

Из сказанного можно выделить основные компоненты, обеспечивающие передачу информации по волоконно-оптическим линиям связи:

• Передатчик (Tx, Transmitter), который преобразует электрический сигнал в световой. Основными компонентами передатчика являются лазер или светодиод (LED), которые модулируют интенсивность, фазу или другие параметры света в соответствии с передаваемыми данными.
• Оптическое волокно - среда передачи, по которой световой сигнал предается от передатчика к приемнику.
• Приемник (Rx, Receiver), преобразующий световой сигнал обратно в электрический. Обычно это фотодетектор (фотодиод), который улавливает свет и генерирует электрический сигнал, который затем усиливается, фильтруется и восстанавливается для дальнейшей обработки.

Помимо перечисленных существуют вспомогательных компонентах оптических сетей, которые повышают эффективность, дальность и пропускную способность передачи данных по оптоволокну:

• Оптические усилители (Optical Amplifiers) усиливают световой сигнал без преобразования его в электрический. Используются для увеличения дальности передачи, когда сигнал ослабляется из-за потерь в волокне.
• Мультиплексоры и демультиплексоры (MUX/DEMUX), позволяющие одновременно передавать несколько каналов данных по одному оптическому волокну, используя разные длины волн света.
• Оптические регенераторы (Optical Regenerators), предназначенные для восстановления искаженного сигнала на длинных дистанциях. Они выполняют три функции: повторное усиление (re-amplification), изменение формы (re-shaping) и синхронизацию (re-timing), очищая сигнал от шумов и искажений вследствие дисперсии сигнала.

В совокупности все перечисленные компоненты позволяют строить длинные, высокоскоростные и многоканальные оптические линии связи с минимальными потерями и высокой надежностью.

Первые рабочие идеи оптоволоконных кабелей появились еще в 1966 году. Ученые предложили использовать обычное стекло вместо коаксиального провода, но первый кабель имел слишком сильное затухание сигнала, и это делало его непрактичным.

Решение появилось только в 1970-х годах, когда изобрели новые лазеры и создали новые материалы для сердцевины кабеля.

За последующие почти 50 лет развитие волоконно-оптических линий связи пошло быстрыми темпами:

• В 1988 году была проложена первая линия между Японией и США.
• В 2003 году скорость передачи достигла около 11 Тбит/с.
• В 2009 году исследователи впервые передали 15,5 Тбит/с на расстояние около 7000 км без потери качества сигнала.

Сегодня волоконно-оптические линии связи используются по всему миру. Они позволяют передавать огромные объемы данных на большие расстояния и стали основой для скоростного интернета, значительно опережая другие популярные способы подключения.

Плюсы оптоволокна

• Высокая скорость передачи данных. Оптоволокно способно передавать информацию на сотни гигабит в секунду, что намного быстрее, чем медные кабели.
• Большие расстояния без потерь. Сигнал почти не ослабевает на сотнях километров, особенно в одномодовых волокнах, что делает их идеальными для магистральных линий и подводных кабелей.
• Устойчивость к электромагнитным помехам. Волокно не проводит электричество, поэтому его работа не зависит от близости силовых линий или других источников помех.
• Компактность и легкий вес. Один волоконный кабель может заменить десятки медных, занимая меньше места и весить меньше.
• Безопасность передачи данных. Оптоволокно практически невозможно прослушать без повреждения кабеля, что повышает защиту информации.
• Долгий срок службы. Волокно не ржавеет и не гниет, и при правильной прокладке служит десятки лет.
• 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 пожаробезопасностью, что позволяет прокладывать оптоволоконную магистраль на нефтеперерабатывающих, химических и других особоопасных предприятиях.

Минусы оптоволокна

• Высокая стоимость установки. Кабель и оборудование стоят дороже медных линий, а монтаж требует квалифицированных специалистов.
• Сложность ремонта. Если волокно повреждается, его нельзя просто скрутить или паять - требуется сварка или специальная муфта.
• Хрупкость кабеля. Волокно легко ломается при сильном изгибе или ударе, хотя новые типы (G.657) более устойчивы к изгибам.

Ключевыми измеряемыми параметрами ВОЛС, по которым оценивается качество и работоспособность волоконно-оптической линии связи является Затухание (Attenuation) и Обратное отражение (ORL, Optical Return Loss).

• Затухание - это уменьшение мощности оптического сигнала при его распространении по волокну, которое возникает из-за поглощения и рассеяния света в волокне, потерь в местах сварок, потерь в оптических разъемах и изгибов и механических дефектов волокна. Измеряется в децибелах (дБ) или в дБ/км и напрямую влияет на максимальную длину линии.
• Обратное отражение характеризует долю оптического сигнала, отраженного обратно к источнику излучения. Возникает в местах оптических разъемов, стыков и сварок, а также из-за дефектов и неоднородностей волокна. Измеряется в децибелах (дБ). Чем больше значение ORL, тем лучше качество линии. Высокий уровень обратных отражений может вызывать нестабильную работу лазеров и ухудшение качества передачи, особенно в высокоскоростных системах.

Для оценки качества волоконно-оптических линий связи могут применяться различные измерительные приборы.

Основным инструментом для диагностики ВОЛС является рефлектометр (OTDR - Optical Time Domain Reflectometer), который служит для анализа состояния оптического волокна по всей его длине. Принцип работы основан на регистрации обратно рассеянного и отраженного света, возвращающегося в прибор после посылки оптического импульса в волокно. С его помощью можно измерить затухание волокна и отдельных участков, определить длину линии, обнаружить и локализовать повреждения, разрывы, сильные изгибы, оценить качество сварок и разъемных соединений;

Также для оценки качества ВОЛС применяются измерители оптической мощности, предназначенные для измерения абсолютной мощности сигнала, контроля уровня сигнала на входе приемника, оценки потерь при сквозных измерениях совместно с источником излучения. Измеритель мощности показывает фактический уровень сигнала, но не позволяет локализовать место потерь.

Для быстрой проверки состояния оптических линий применяются различные тестеры ВОЛС: визуальные локаторы повреждений (VFL), источники оптического излучения, комбинированные тестеры (OLTS - Optical Loss Test Set). Они применяются для проверки целостности волокна, обнаружения грубых дефектов и обрывов, измерения сквозных потерь, оперативного контроля при монтаже и обслуживании.

Как видно из сказанного способ и качество соединения волокон напрямую влияет на характеристики ВОЛС.

Существует два способа соединения волокон – сварка и механическое соединение.

Сварка волокон производится с использованием специальных сварочных аппаратов, которые позволяют провести весь комплекс сварочных работ от совмещения свариваемых концов, их сварки и до защиты соединения.

Процесс сварки выглядит следующим образом:

• Волокна, предназначенные для сварки, очищаются от внешних защитных оболочек и укладываются в зажимы сварочного аппарата (V-образные канавки).
• Под микроскопом с помощью манипуляторов происходит их совмещение (юстировка). В современных сварочных аппаратах юстировка происходит автоматически.
• Электрическая дуга разогревает концы волокон до температуры 1700 градусов Цельсия, после чего торцы волокон соединяются.
• Аппарат осуществляет проверку прочности соединения посредством механической деформации и оценивает затухание, вносимое стыком.
• На место сварки устанавливается КДЗС (комплект для защиты соединений).

В ситуациях, когда использование сварочного аппарата невозможно или не целесообразно (временные или аварийные соединения, тестирование и отладка сетей) применяется механическое соединение волокон без использования сварки, при котором два волокна выравниваются и фиксируются специальным механическим соединителем или оптическим гелем. При этом потери сигнала и обратное отражение значительно выше, чем при сварке.

Виды и характеристики волоконной оптики описаны в ряде стандартов ISO/IEC.

Существуют три основных параметра, по которым классифицируют оптоволоконные кабели:

• по числу распространяющихся в них типов волн или мод:
  • многомодовые (OM, Optical Multimode),
  • одномодовые (OS, Optical Singlemode),
  • специальные типы волокон;
• по профилю показателя преломления:
  • ступенчатый (прямоугольный) - показатель преломления от сердцевины к оболочке меняется скачками,
  • сглаженный (квадратичным или градиентным) - изменение показателя преломления осуществляется плавно,
  • специальный;
• по типу характеристики дисперсионного параметра D:
  • SF (стандартное),
  • DSF (со сдвигом нуля дисперсии),
  • NZDSF (с ненулевой смещенной дисперсией)
  • ZWP (с нулевым водяным пиком);

Многомодовые волокна классифицируются по профилю показателя преломления на два типа:

• со ступенчатым (прямоугольным) профилем (показатель преломления от сердцевины к оболочке меняется скачками);
• со сглаженным (квадратичным или градиентным) профилем (Изменение показателя преломления осуществляется плавно).

По материалу делятся на 4 класса

Самый распространенный - класс А1, типоразмеров 50/125 и 62,5/125.

По полосе пропускания делятся на 5 классов (в соответствии со стандартами ISO/IEC 11801 и TIA-492AAAE)

Из-за сравнительно высокого затухания ММ ОВ применяется преимущественно на короткие расстояния (до 1–2 км), например, внутри зданий, и главным образом в локальных сетях, а не в магистральных сетях, где доминируют одномодовые волокна.

Одномодовые волокна изготавливаются из кварцевого стекла, имеют постоянный диаметр оболочки - 125 мкм, а диаметр сердцевины составляет 7-9 мкм, однако нормируемым параметром является диаметр поля моды (8-11 мкм), который характеризует потери при вводе света в волок­но и зависит от длины волны (фактически он на 10-12% больше диаметра сердцевины).

Одномодовые волокна делятся на:

• волокна со ступенчатым (прямоугольным) профилем показателя преломления;
• волокна с профилем показателя преломления специального типа, например, в форме трезубца, простого треугольника, сегментированного треугольника, треугольника на прямоугольном пьедестале, W-образного профиля, многоступенчатого (квадрупольного) профиля.

Основные параметры одномодовых волокон описаны и регламентированы в рекомендациях ITU-T Rec. G.650, 652-655, которые используются, в основном, для ссылок в официальных документах на тип волокна. Значительно более информативны фирменные спецификации компаний-производителей.

Дисперсионный параметр D оптоволокна характеризует расплывание светового импульса, ограничивает полосу пропускания и информационную емкость.

Дисперсионный параметр D оптоволокна измеряется в пикосекундах на километр на нанометр (пс/(км·нм)).

В обычных волокнах например, G.652.D параметр D положителен в рабочем диапазоне длин волн. В волокнах с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF), параметр D имеет отрицательное значение, что позволяет компенсировать положительную дисперсию в системе.

Дисперсия меняется с длиной волны, и этот профиль зависит от конструкции волокна (например, от типа волокна и материала сердцевины).

Различные стандарты и типы волокон имеют разные характеристики дисперсии:

• SF (Standard Fiber): Стандартное одномодовое волокно.
• DSF (Dispersion-Shifted Fiber): Волоконно-оптические волокна со сдвинутым нулем дисперсии.
• NZDSF (Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber): Волокна с ненулевой смещенной дисперсией.
• ZWP (Zero Water Peak): Волокна с нулевым «водяным пиком».

Расплывание импульсов, вызванное дисперсией, ограничивает полосу пропускания и информационную емкость оптоволокна, что приводит к искажению сигнала. Это явление особенно критично при передаче данных на большие расстояния и на высоких скоростях.

Важно учитывать, что разные типы волокон (например, стандартные G.652.D и с ненулевой смещенной дисперсией G.655) имеют разные профили дисперсии.

Специальные типы волокон создаются для решения особых задач:

• DCF (Dispersion Compensation Fiber): для компенсации хроматической дисперсии (устанавливаются в DCM-модулях).
• EDF (Erbium Dropped Fiber): легированное эрбием, используется в оптических усилителях EDFA.
• PMF (Polarization Maintaining Fiber): волокно, сохраняющее состояние поляризации (для волоконных датчиков).
• OWP (Zero Water Peak Fiber): с нулевым водяным пиком, позволяющим расширить рабочий диапазон длин волн (популярно при использовании CWDM).

Одномодовые волокна, соответствуют следующим стандартам:

• G.652 - определяет 4 версии (A, B, C, D). Варианты G.652.C и G652.D имеют уменьшенный пик воды (ZWP - Zero Water Peak), что позволяет применять их в диапазоне длины волны от 1310 нм до 1550 нм, поддерживая передачу с грубым мультиплексированием с разделением по длине волны (CWDM).
• G.652.D - это стандартное одномодовое волокно (SSMF), предназначенное для систем со скоростью 10 и 40 Гбит/с (благодаря уменьшенной поляризационной модовой дисперсии - PMD). В настоящее время это наиболее популярное оптоволокно.
• G.655 - определяет волокно с характеристиками, указанными на 1550 нм и 1625 нм, с ненулевой крутизной хроматической дисперсии в этих диапазонах длин волн. Этот тип оптического волокна может поддерживать системы дальней связи, использующие передачу с плотным мультиплексированием с разделением по длине волны (DWDM) в диапазоне длин волн от 1530 до 1625 нм.
• G.656 - волокно, предназначенное для использования в широкополосных системах, использующих DWDM и CWDM, предназначенное для работы в диапазоне длин волн от 1460 нм до 1625 нм.
• G.657 - определяет оптоволокно, которое производит более низкий уровень затухания, которое вызывается изгибами. Минимальный радиус изгиба уменьшен до 15-5 мм (в зависимости от версии). Волокно G.657A совместимо с волокнами G.652, версии G.657.B не обеспечивают 100% совместимость с другими волокнами, однако обладают уникальными механическими характеристиками, подходящими для самых требовательных установок.

Существуют разные подходы и стандарты для организации доступа абонентов к оптической сети:

• PON (Passive Optical Network) – пассивная оптическая сеть, в которой один оптический кабель от провайдера делится на несколько абонентских линий с помощью пассивных оптических сплиттеров. Это снижает затраты на инфраструктуру и обслуживание. Сюда входят:
  • GPON (Gigabit PON) – стандарт PON с пропускной способностью до 2,5 Гбит/с в сторону пользователя и 1,25 Гбит/с обратно.
  • XG-PON (10 Gigabit PON) – более современный вариант с пропускной способностью до 10 Гбит/с в сторону пользователя и 2,5 Гбит/с обратно.
• FTTH (Fiber to the Home) – «оптика до дома». Оптический кабель прокладывается непосредственно до квартиры или дома абонента. Обеспечивает высокую скорость и минимальные потери.
• FTTB (Fiber to the Building / Basement) – «оптика до здания». Оптический кабель подводится до распределительного щита или подвального помещения многоквартирного дома, далее подключение до квартир выполняется уже по медным кабелям (витая пара) или коаксиалу.

В зависимости от стоящих задач могут применяться разные типы оптических волокон:

• Многомодовые волокна (OM1–OM5)
  • Применяются при ограниченной длине трассы (как правило, до 300–550 м).
  • Популярны в офисных и кампусных сетях, дата-центрах.
• Одномодовые волокна (G.652–G.657)
  • Универсальное решение для дальних расстояний и высоких скоростей.
  • Подходят для магистральных, региональных и внутренних сетей (в том числе GPON, FTTH).
  • Новейшие варианты G.657 позволяют уменьшить радиусы изгиба, что особенно важно при прокладке внутри помещений.
• Волокна со смещенной нулевой дисперсией (G.653, G.655, G.656)
  • Оптимизированы для работы в 1550 нм, подходят для современных систем WDM.
  • Рекомендуются при необходимости минимизации нелинейных эффектов на больших скоростях.

Также сети на основе ВОЛС могут применяться в центрах обработки данных (ЦОД) для передачи данных между серверными стойками, коммутаторами и другими устройствами внутри инфраструктуры:

• DAC (Direct Attach Cable) - это кабельное соединение с интегрированными трансиверами (обычно SFP+ или QSFP+), используемое для соединения двух устройств на небольшие расстояния внутри стойки или между соседними стойками. Обычно имеют длину 10-15 метров.
• AOC (Active Optical Cable) - это оптический кабель с интегрированными активными компонентами, который используется для соединений на средние и большие расстояния внутри ЦОД (обычно десятки метров, иногда до 100 м).

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) продолжают оставаться ключевой технологией для построения высокоскоростных и надежных телекоммуникационных сетей. Их актуальность обусловлена высокой пропускной способностью, низким уровнем затухания и помехоустойчивостью.

Вместе с тем, внедрение ВОЛС связано с рядом технологических и организационных сложностей, требующих квалифицированного персонала и специализированного оборудования, что может ограничивать рентабельность развертывания в некоторых отраслях.

Однако, перспективы развития ВОЛС выглядят многообещающе. Постоянно совершенствуются технологии доступа (PON, FTTH, FTTB), увеличивается дальность и скорость передачи данных благодаря новым стандартам и мультиплексированию, внедряются интеллектуальные системы мониторинга и защиты каналов. Эти тенденции обеспечивают не только расширение возможностей магистральных сетей, но и развитие локальных сервисов, требующих стабильного и высокоскоростного соединения.