Оптоволоконные кабели

Тема: Оптоволоконные кабели. Классификация и характеристики

Теоретические сведения

Оптоволоконные кабели

Оптоволоконный (он же волоконно-оптический) кабель – это принципиально иной тип кабеля по сравнению с рассмотренными двумя типами электрического или медного кабеля. Информация по нему передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент – это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.

Рис. 1.Структура оптоволоконного кабеля

Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля. Только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром около 1 – 10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции – стеклянная или пластиковая оболочка (плакировка), не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. В данном случае речь идет о режиме так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется. Однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей).

Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как при этом нарушается целостность кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 10¹² Гц, то есть 1000 ГГц, что несравнимо выше, чем у электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля.

Типичная величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, используемых в локальных сетях, составляет от 5 до 20 дБ/км, что примерно соответствует показателям электрических кабелей на низких частотах. Но в случае оптоволоконного кабеля при росте частоты передаваемого сигнала затухание увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы, у него просто нет конкурентов.

Однако оптоволоконный кабель имеет и некоторые недостатки.

Самый главный из них – высокая сложность монтажа (при установке разъемов необходима микронная точность, от точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъеме). Для установки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. В любом случае для этого нужна высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому чаще всего оптоволоконный кабель продается в виде заранее нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разъемы нужного типа. Следует помнить, что некачественная установка разъема резко снижает допустимую длину кабеля, определяемую затуханием.

Также надо помнить, что использование оптоволоконного кабеля требует специальных оптических приемников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно, что порой существенно увеличивает стоимость сети в целом.

Оптоволоконные кабели допускают разветвление сигналов (для этого производятся специальные пассивные разветвители(couplers) на 2—8 каналов), но, как правило, их используют для передачи данных только в одном направлении между одним передатчиком и одним приемником. Ведь любое разветвление неизбежно сильно ослабляет световой сигнал, и если разветвлений будет много, то свет может просто не дойти до конца сети. Кроме того, в разветвителе есть и внутренние потери, так что суммарная мощность сигнала на выходе меньше входной мощности.

Оптоволоконный кабель менее прочен и гибок, чем электрический. Типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10 – 20 см, при меньших радиусах изгиба центральное волокно может сломаться. Плохо переносит кабель и механическое растяжение, а также раздавливающие воздействия что, в свою очередь, ведет к росту затухания сигнала в кабеле.

Чувствителен оптоволоконный кабель и к ионизирующим излучениям, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна, то есть увеличивается затухание сигнала.

Применяют оптоволоконный кабель только в сетях с топологией звезда и кольцо. Никаких проблем согласования и заземления в данном случае не существует. Кабель обеспечивает идеальную гальваническую развязку компьютеров сети. В будущем этот тип кабеля, вероятно, вытеснит электрические кабели или, во всяком случае, сильно потеснит их. Запасы меди на планете истощаются, а сырья для производства стекла более чем достаточно.

Существуют два различных типа оптоволоконного кабеля:

· многомодовый или мультимодовый кабель, более дешевый, но менее качественный;

· одномодовый кабель, более дорогой, но имеет лучшие характеристики по сравнению с первым.

Суть различия между этими двумя типами сводится к разным режимам прохождения световых лучей в кабеле.

В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего они достигают приемника одновременно, и форма сигнала почти не искажается (рис. 2).

Рис. 2Распространение света в одномодовом кабеле

Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает свет только с такой же длиной волны (1,3 мкм). При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси кабеля,не отражаясь от оболочки. Дисперсия и потери сигнала при этом очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. В волокно такого малого диаметра очень сложно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть его энергии, поэтому для одномодового кабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны. Такие приемопередатчики пока еще сравнительно дороги и не долговечны. Однако в перспективе одномодовый кабель должен стать основным типом благодаря своим прекрасным характеристикам. К тому же лазеры имеют большее быстродействие, чем обычные светодиоды. Затухание сигнала в одномодовом кабеле составляет около 5 дБ/км и может быть даже снижено до 1 дБ/км. В одномодовом кабеле сегмент имеет длину до 40 км. Одномодовый кабель чаще прокладывают вне помещений, например, в телефонных сетях или сетях кабельного телевидения. Для локальных сетей кабель этого типа подходит меньше: он очень дорог и имеет более высокий радиус изгиба чем многомодовый, а значит, его нельзя проложить более компактно.

В многомодовых кабелях (Multy Mode Fiber,MMF) используются более широкие внутренние проводники (40-100мкм) по сравнению с одномодовыми, что существенно их удешевляет. В многомодовом кабеле одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от оболочки под разными углами. Из-за потерь световой энергии вследствие многократного отражения от оболочки и интерференции лучей разных мод полоса пропускания многомодового кабеля существенно ниже, чем у одномодового. (рис. 3).

Рис. 3.Распространение света в многомодовом кабеле

Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки 125 мкм (это иногда обозначается как 62,5/125). Для передачи используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем. Длина волны света в многомодовом кабеле равна 0,85 мкм, при этом наблюдается разброс длин волн около 30 – 50 нм. Допустимая длина кабеля составляет 2 – 5 км, многомодовый кабель не может покрывать такие же большие расстояния, как одномодовый, но он лучше огибает углы и стоит намного меньше. Многомодовый кабель – это основной тип оптоволоконного кабеля в настоящее время, так как он дешевле и доступнее. Затухание в многомодовом кабеле больше, чем в одномодовом и составляет 5 – 20 дБ/км.

Типичная величина задержки для наиболее распространенных кабелей составляет около 4—5 нс/м, что близко к величине задержки в электрических кабелях.

Рис. 4.Многомодовый оптоволоконный кабель

Рис.5. Структура волоконно-оптического кабеля

Присоединение волоконно-оптических кабелей к оборудованию осуществляется разъемами типа MIC,SC и ST.

MIC-коннектор	SC-коннектор	ST-коннектор

На рисунке ( рис. 6) показан оптический коннектор типа ST, который соединяется с кабелем клеевым способом, т. е. путем вклейки оптического волокна в наконечник с последующей сушкой и шлифовкой. Коннекторы для монтажных и соединительных шнуров различаются диаметром хвостовика (соответственно 0,9 и 3,0 мм) и отсутствием у первых элементов крепления кабеля.

Рис. 6.Разъём оптический MM ST/PC для многомодового оптоволокна

Рис.7. Коннекторы оптоволоконных кабелей

Для присоединения оптоволоконных кабелей к портам оптических коммутаторов и сетевых карт, используется разъем или коннектор специальной конструкции. Он состоит из корпуса коннектора, внутри которого находится жесткий наконечник (феррула) с цилиндрическим каналом, в который вставляется оптоволокно, и механизма фиксации. Такой разъем может быть собран из металлических частей, из пластика и даже из керамики. Оптоволокно надежно фиксируется в наконечнике с помощью эпоксидной смолы. Сам корпус разъема делается только из металла или пластика. Он отвечает за удержание наконечника (феррулы), и присоединение к внешнему порту. Механизм фиксации служит для надежного крепления кабеля к корпусу оптического коммутатора.

Рис. 8. Схема оптического разъема

ST и SC коннекторы имеют самую простую конструкцию, могут использоваться как в магистральных сетях, так и в патч кордах. В них используется механизм соединения «push-pull». К сожалению, их простата отрицательно сказывается на надежности.

FC-коннектор имеет более высокую надежность, так как имеет керамический наконечник и накидную гайку для фиксации разъема на оптическом порту. Это дает возможность использовать его не только в магистральных сетях, но даже в условиях высокой подвижности.

Компактный LC-коннектор позволяет устанавливать одновременно множество оптических кабелей в миниатюрную патч панель.

Одномодовый коннектор имеет белый или синий цвет корпуса. Обычно феррула такого коннектора выполняется из окисла циркония, разновидности керамики. Этот наконечник имеет гораздо меньшее отверстие для оптоволокна, чем в многомодовом исполнении, что делает исходящее из него световое излучение невидимым для человеческого глаза.

Многомодовый коннектор можно определить по бежевому или черному цвету корпуса. Здесь феррула выполняется из стали, пластика или двуокиси циркония.

С использованием оптических волокон можно создавать не только кольцевые структуры. Возможно построение фрагмента сети, по характеру связей эквивалентного кабельному сегменту или хабу. Схема такого фрагмента сети представлена на рис.9 (пассивный хаб концентратор). Базовым элементом этой субсети является прозрачный цилиндр, на один из торцов которого подключаются выходные волокна всех передатчиков интерфейсов устройств, составляющих субсеть. Сигнал с другого торца через волокна поступает на вход фотоприемников интерфейсов. Таким образом, сигнал, переданный одним из интерфейсов, поступает на вход всех остальных интерфейсов, подключенных к этой субсети.

Рис. 9. Схема пассивного оптоволоконного хаба

Соединение оптоволокна ВИДЕО: http://www.youtube.com/watch?v=BfJtyT6tTSM

Для преобразования светового сигнала в электрический используют оптоволоконный трансивер (приемо-передатчик), он довольно дорогой. На рис. 10 показан трансивер Trycom TRP-C39 для многомодового кабеля.

Рис. 10.Трансивер Trycom TRP-C39 для многомодового кабеля

Трансивер TRP-C39 осуществляет двунаправленное преобразование сигналов RS-232/422/485 в световые импульсы для передачи по оптическому волокну. Особенности:

· Автоматическое определение скорости передачи данных (от 300 до 115200 бит/с)

· Гальваническая развязка с напряжением пробоя изоляции 3000V пост.тока

· Светодиодные индикаторы Питание/Передача/Прием (Power/TX/RX)

· Допустимая протяженность оптоволоконной линии до 2км

· Крепление на стену / на DIN-рейку

· Интерфейсы : RS-232/422/485 в многомодовое (Multi-mode) оптоволокно

· Длина волны: 850 нм

· Скорости передачи данных : от 300bps до 115.2kbps

· Поддержка ОС : Windows/Linux/Unix/MAC

Оптоволоконные кабели, как и электрические, выпускаются в исполнении plenum и non-plenum.