Пропускная способность оптоволоконного кабеля связи

Принцип передачи света по оптоволокну

1.1 Оптическая связь

Принцип системы оптической связи заключается в передаче сигнала через оптоволокно к удаленному приёмнику. Электрический сигнал преобразуется в оптический и в таком виде передаётся на расстояние. В приёмном устройстве он обратно переходит в исходную электрическую форму. У волоконно-оптической связи есть множество преимуществ перед другими типами передачи информации, такими как медные жилы и системы радиосвязи.

• Сигнал может быть передан без регенерации на большое расстояние (200 км).

• Оптоволоконная передача не чувствительна к электромагнитным помехам. Кроме того, волокно не проводит электричество и фактически нечувствительно к радиочастотной интерференции.

• Оптические системы обеспечивают большее количество каналов чем физические цепи.

• Оптический кабель намного легче и тоньше чем кабель с металлическими жилами и волокна занимают в нём небольшой объём. Например, один оптоволоконный кабель может содержать 144 волокна.

• Оптическое волокно очень надёжно.

• У оптического волокна срок эксплуатации больше 25-и лет (по сравнению с 10 годами систем спутниковой связи).

• Рабочие температуры для оптического волокна изменяются, но они обычно они лежат в диапазоне от -40° до +80°C

Группа факторов ухудшают пропускание света в оптической системе связи:

1. Затухание: Поскольку световой сигнал перемещается через волокно, он теряет мощность из-за поглощения, рассеивания, и других потерь. С некоторым расстоянием мощность сигнала может уменьшиться до уровня собственных шумов приёмника.

2. Пропускная способность: Оптоволокно имеет ограниченный частотную полосу пропускания и если световой сигнал использует несколько частот, то это явление уменьшает информационную пропускную способность.

3. Дисперсия: Импульсы света распространяющиеся в волокне расширяются и тем ограничивают информационную пропускную способность на высоких скоростях передачи или укорачивается её расстояние.

1.2 Строение оптоволокна

Оптический волновод это тонкая стеклянная нить, окруженная пластиковым защитным покрытием. Нить оптоволокна состоит из двух частей: внутренняя сердцевина и наружная оболочка. Свет, введенный в стеклянную сердцевину проходит в ней многократно отражаясь от её границы с оболочкой.

Строение оптического волокна

1.3 Принципы передачи

Луч света вводится в волокно под малым углом α. Возможность оптоволокна принять свет в сердцевину (максимальное приемлемое значение угла) определяется его числовой апертурой (NA)

Где α₀ — максимальный угол ввода (то есть, предельный угол между осью и углом полного отражения сердцевины), n₁ показатель преломления сердцевины и n₂; показатель преломления оболочки.
Ввод света в оптоволокно

Полный приемный конус оптического волокна определяется как 2α₀

1.3.1 Распространение света в оптоволокне

Распространение луча света в оптическом волокне происходит по закону Снелла-Декарта. Часть света вводится через полный приемный конус оптоволокна.

1.3.1.1 Преломление

Явление преломления выражается в изменении угла прохождения луча света через границу двух сред. Если α > α₀, то луч полностью преломляется и выходит из сердцевины.

Преломление света

1.3.1.2 Отражение

Отражение является изменением направления светового луча на границе между двумя средами. В этом случае, световой луч возвращается в сердцевину, из которой он произошел.

1.3.2 Скорость

Скорость с которой свет перемещается через среду передачи определяется показателем преломления этой среды. Показатель преломления среды (n) является коэффициентом отношения скорости света в вакууме к скорости света в этой среде.

Где n является показателем преломления среды передачи, с скорость света в вакууме (2.99792458 · 10 8 м\с), и v скорость света в среде передачи.

Типичные значения n для стекла используемого в качестве оптоволокна лежит между 1.45 и 1.55. Как правило, чем выше показатель преломления, тем меньше скорость в среде передачи.

Сравнение скорости прохождения света через различные среды

Значения типичного показателя преломления разных производителей и различных типов оптоволокна:

• Corning® LEAF®
n = 1.468 в 1550 нм
n = 1.469 в 1625 нм

• OFS TrueWave® REACH
n = 1.471 в 1310 нм
n = 1.470 в 1550 нм

1.3.3 Пропускная способность

Пропускная способность зависит от ширины частотного диапазона, на котором способно работать оптическое волокно. Пропускную способность волокна определяет максимальная информационная емкость канала, который может быть передан вдоль волокна по данному расстоянию. Пропускная способность вырается в МГц o км. В многомодовом оптоволокне пропускная способность, главным образом, ограниченна модовой дисперсией; тогда как такое ограничение отсутствует для одномодовых волокон.

Пропускная способность оптической линии в зависимости от типа волокна

Неофициальный перевод книги Reference Guide to Fiber Optic Testing. Second edition. 2011 J. Laferriere, G. Lietaert, R. Taws, S. Wolszczak. Англоязычный вариант книги доступен в сети Интернет и состоит из трёх частей: две части — основной материал и третья часть — глоссарий. На данный момент книга переведена не вся и материал будет дополняться в процессе. Заранее извиняюсь за ошибки перевода. Со страниц сайта доступны главы:

Источник

IT1305: Структурированные кабельные системы

В многомодовом волокне наиболее важным моментом, который ограничивает расстояние связи, является оптическая полоса пропускания.

Этот термин употребляется немного неправильно и фактически означает способность передавать информацию. Как и со множеством других оптических параметров, существуют значительные различия между общеупотребительными терминами для коаксиальных кабелей и соответствующими им понятиями для оптических кабелей. Теоретическая ширина спектра сигнала, которая может быть передана по волокну, очень высока — порядка 50-300 ГГц на короткие расстояния. В реальности ширина полосы пропускания в системе определяется длиной волны, оптикой, электроникой, коммутационным оборудованием, волокном и длиной участка. На рис. 84 отображена зависимость ширины полосы пропускания в системе от расстояния кабеля в многомодовых и одномодовых волокнах.

Как вы можете увидеть сами, существует значительная разница в ширине полосы пропускания в системе между многомодовыми и одномодовыми волокнами. Многомодовое волокно, как свидетельствует его название, дает возможность проходить нескольким световым модам, что увеличивает хроматическую и модовую дисперсию. Данная дисперсия светового сигнала значительно ограничивает информационную пропускную способность многомодового волокна. Минимальные стандарты производительности отображены в табл. 11.4.

Полезная ширина полосы пропускания на определенной длине кабеля может быть введена через разделение указанного произведения ширины полосы пропускания и расстояния на реальную протяженность в километрах. Следовательно, в кабеле 50/125 мкм длиной 100 м волокна ширина канала составляет (500 МГц*км) / (ОД км) = 5000 МГц.

Рис. 84 Полоса пропускания оптических систем

С другой стороны, 220 м кабель с 62,5/125 мкм будет иметь эффективную ширину полосы пропускания в 727 МГц, что будет серьезной проблемой для Gigabit Ethernet. Проектировщик системы сталкивается со своего рода дилеммой в вопросе вида оптоволоконного кабеля, который идет от розетки к рабочей станции. С одной стороны, многомодовое волокно значительно дешевле и на данный момент поддерживается большим количеством систем рабочих станций/концентраторов.

Одномодовое волокно имеет гораздо более высокую информационную пропускную способность и может находиться в эксплуатации довольно долгое время. Более того, теперь большая часть оптики оборудования в высокоскоростных сетях строится на лазерных диодах, что сводит на нет выгодную стоимость светодиодных источников, которые хорошо совмещаются с многомодовым волокном.

Следовательно, проблема состоит в том, стоит ли проводить на рабочий стол менее дорогой и более распространенный многомодовый оптический кабель либо использовать одномодовый. Одномодовое волокно имеет свои недостатки, но обладает широкой полосой пропускания, что полезно для будущего развития сетей. Но одномодовое волокно на данный момент несовместимо с большинством оборудования.

Ответ состоит в том, что многие понимают, что можно использовать оба вида. Стандарт требует, чтобы в каждой розетке на рабочем месте было как минимум два кабеля, один из которых оптический. Однако он не запрещает использование более чем двух кабелей на рабочем месте. Почти все модульные блоки позволяют иметь как минимум четыре модульных разъема. Следовательно, оптимальным решением проблемы на сегодняшний день и на будущее будет расположение двух медных кабелей и двух оптических кабелей, одного одномодового и одного многомодового, в каждой розетке. Если вы будете использовать новые оптические коннекторы SFF и медные модули категорий 5е или 6, то ваша система сможет работать со множеством компонентов на протяжении долгих лет.

Таблица 11.4 Информационная пропускная способность многомодового оптического волокна

Количество мод	Диаметр основы/оболочки, мкм	Рабочая длина волны, нм	Произведение расстояния и полосы пропускания, МГц/км
Многомодовое	50/125	850	500
Многомодовое	50/125	1300	500
Многомодовое	62,5/125	850	160
Многомодовое	62,5/125	1300	500

Проблема использования лазерного источника VCSEL в многомодовых кабелях

Популярным лазерным источником для высокоскоростных сетей является вертикальный лазер наружного излучения (VCSEL). Этот полупроводниковый диод совмещает высокую пропускную способность с небольшой стоимостью и является идеальным выбором для гигабитных сетей. В одномодовом оптическом кабеле лазерный источник работает безупречно. Его сильно сконцентрированный луч света с легкостью направляется в центр узкой сердцевины одномодового волокна и совершает передачу на одной моде со всеми втекающими плюсами.

Однако, как уже описывалось ранее, большинство оптических кабелей в локальной сети являются многомодовыми. Когда мы использовали светодиодные источники в низкоскоростных технологиях типа 10BaseFL и 100BaseFX, мы требовали, чтобы светодиод нацеливался на передающий конец многомодового волокна, а дальше уже все шло само собой. В этом случае избыточный свет, который не попадал в сердцевину, терялся, но свет, который попадал в нее, распространялся в нем на всех модах (отсюда название «многомодовый»). Метод использования источника света на волокне называется запуском, а применение большего количества света, чем необходимо, — запуском с переполнением.

К сожалению, когда многомодовый кабель создавался, было уделено очень мало внимания небольшим дефектам в сердцевине стекловолокна. Если в волокно запускается много мод, то мелкие нарушения не приносят большого вреда, так как все другие моды (лучи) света проходят внутри просто идеально. В большинстве случаев данные дефекты вызывают лишь небольшое увеличение затухания кабеля. Здесь не о чем беспокоиться, если только не используется лазерный источник.

Помните, что лазер представляет собой очень узкий луч монохроматического света, с шириной спектра 1 мкм для большинства VCSEL, который запускается точно из центральной оси сердцевины волокна. Это значит, что любой даже небольшой дефект может отразить значительное количество лучевой энергии, что вызовет большое затухание. Это может в свою очередь вызывать обрыв связи, если система не способна справляться с потерями дополнительных 2-10 дБ. Более того, минимальные повреждения волокна, которые могут быть вызваны механическими передвижениями и повышениями температур, могут привести к тому, что проблемы со связью будут постоянными.

Существует два решения проблемы VCSEL. Первое состоит в том, чтобы использовать лучшее волокно. Естественно, если вы устанавливаете новый кабель, то это лучший вариант. Вы должны быть уверены, что оптический кабель, используемый вами, подходит для работы с лазером, а также имеет повышенную пропускную способность (произведение пропускной способности на расстояние). Подобное волокно обычно называется gigabit-ready (подходящее для гигабитных скоростей) или совместимым с лазером.

Если у вас есть только многомодовое волокно, вы можете использовать короткий адаптер условного запуска для применения одномодового лазерного источника на многомодовых кабелях. Минус состоит в том, что такой адаптер увеличит стоимость системы на 50-100 долларов. Если вы полагаете, что у вас могут возникнуть проблемы с более старым многомодовым кабелем, то можете продолжать использовать 10BaseSX, так как многие приемопередатчики в этой технологии имеют встроенную настройку моды. Проконсультируйтесь с производителями оборудования на данную тему.

Источник

Оптоволоконный кабель

На сегодняшний день широкое распространение при создании телекоммуникационных сетей получил оптический кабель. В его характерные особенности включены такие показатели, как:

• высокая скорость передачи данных;
• отсутствие восприимчивости к различным помехам;
• по сравнению с медными кабелями, малый вес и габаритные размеры;
• высокая продолжительность срока эксплуатации;
• возможность увеличения расстояния между передающими устройствами до 800 км.

Пожалуй, единственными недостатками, которые можно выделить при создании сети из оптоволокна — высокая стоимость материалов и оборудования, трудоемкий процесс монтажа кабеля, связанный с необходимостью проведения сварочных работ при прокладке основных магистралей.

Конструкция оптического кабеля

• 1 — центральный силовой элемент
• 2 — оптические волокна
• 3 — пластиковые трубочки-модули
• 4 — плёнка
• 5 — тонкая внутренняя оболочка из полиэтилена
• 6 — кевларовые нити или броня
• 7 — внешняя толстая оболочка из полиэтилена

Пропускная способность оптоволокна

За последние несколько десятков лет пропускная способность волоконно-оптического кабеля значительно увеличилась. При этом разработки по усовершенствованию одной из передовых технологий передачи данных не прекращается даже на минуту. В сущности, скорость передачи сигнала во многом зависит от расстояния между оборудованием, типа волоконного носителя и количества соединительных стыков в магистралях.

К примеру, использованный при построении внутренней сети (между серверами данных) многомодовый оптический кабель на расстоянии приблизительно в 200 метров способен обеспечить скорость до 10 Гбит/с.

Для прокладки внешних коммуникаций, где расстояние между передатчиками может достигать нескольких десятков километров применяется одномодовое оптоволокно. Структура такого кабеля позволяет развивать скорость потока более 10 Гбит/с. Правда, это далеко не предел возможности оптики. С увеличением потребительского спроса возникнет необходимость наращивать мощность оборудования и даже замена техники, позволяющая добиться скорости передачи данных на уровне 160 Гбит/с не способна использовать потенциал носителя в полной мере.

Виды оптоволоконного кабеля

По своей структуре оптоволоконный кабель делится на две категории:

Многомодовый оптический кабель хорошо зарекомендовал себя как проводник, передающий сигнал на малые расстояния. В первую очередь, это обусловлено структурой самого волокна, в названии которого слово «много» означает далеко не то, что принято считать хорошим показателем. Рекомендованное расстояние, при прокладке многомодового кабеля, от передающего устройства и до пользователя должно составлять не более одного километра. На этой дистанции проводник показывает великолепные способности по передаче светового потока практически без потерь и способен обеспечивать скорость до 10 Гбит/с. Таким образом, его можно использовать при построении сети в маленьком районе или же как оптический кабель для внутренней прокладки.

Одномодовый оптический кабель в первую очередь предназначен для передачи данных на большие расстояния, которые могут исчисляться в десятках, а то и сотнях километров. По своей структуре такой тип волокна обладает более лучшими качествами и способен поддерживать постоянную высокую скорость потока информации практически без затухания в оптическом кабеле. Таким образом, пропускная способность одномодового оптического носителя лимитируется непосредственно передающими устройствами и, при установленном мощном оборудовании, может достигать нескольких Тбит/с.

Необходимое оборудование для передачи информации по оптоволоконному кабелю

На сегодняшний день оптоволоконные сети получили широкое распространение среди компаний, предоставляющих своим абонентам доступ к интернету. При этом, для осуществления передачи данных, если не считать промежуточных муфт и прочего сопутствующего оборудования, используется следующая техника:

со стороны провайдера:
— специальное оборудование DLC, известное также под названием мультиплексор. Оно позволяет производить передачу данных по волоконно-оптическому кабелю на значительные расстояния с постоянно поддерживаемой высокой скоростью.

со стороны абонента:
— роутер ONT, который является оконечным клиентским оборудованием и позволяет обеспечить доступ к интернету через оптоволоконную сеть. Позволяет осуществлять доступ на скорости до 2.5 Гбит/с.

Источник