Оптоволоконные линии на сегодняшний день обеспечивают наибольшую пропускную способность из всех существующих каналов для связи. Так, в зависимости от применяемой сетевой аппаратуры скорость передачи данных может достигать терабайта за секунду. Линии на основе оптического волокна пока преимущественно встречаются в структурированных кабельных системах внутреннего применения, но и законченные высокоскоростные сети по мере удешевления материала постепенно переводятся на данную технологию.
Структура кабеля на оптоволокне
Само волокно формируется несколькими слоями, сердцевину которых образует ядро с оптической оболочкой. Центральная часть выполняется из монолитного материала – кварцевого стекла, обеспечивающего достаточный показатель преломления. Некоторые модификации оптического волокна содержат и специальные добавки, улучшающие качества основного расплава. Например, то же стекло может легироваться окислами фосфора, фтора, бора и т. д. Причем не обязательно с целью повышения преломляющей способности. Иногда высокая пропускная способность противоречит свойствам механической стойкости, поэтому добавки вносятся с целью отвержения структуры в ущерб качеству связи.
Если ядро изготавливается из кварцевого стекла, то в рабочей оболочке используется пластик. Причем важно не путать этот слой с изоляцией как таковой. Оболочка тоже является функциональной частью волокна, оказывая влияние на преломление света и оптические качества линии в целом. В момент ввода светового луча в структуру волокна происходит внутреннее отражение, которое движется вдоль сердечника. Так происходит процесс передачи информации.
Что касается непосредственно изоляции, то ее функцию выполняет специальное покрытие. Как правило, это защитные полимерные слои, способные выдерживать температуры от -40°С до 60°С, а также давление до 500 МПа. Применяется и двойное покрытие оптического волокна с наружной оболочкой. В данной конструкции наружный слой не только физически защищает сердцевину от внешних воздействий, но и сам способен изменять показатели волноводной дисперсии сигнала.
Разновидности оптоволокна
Основная классификация предполагает разделение волокон по модовой световой структуре. От нее зависит, в частности, количество путей, по которым будет проходить лучевой поток. По этому критерию выделяют следующие типы оптических волокон:
- Многомодовые. Крупные волокна, которые имеют большой диаметр в центральной части и могут различаться по типу профиля – ступенчатому или градиентному. Если толщина порядка 50-60 микрон определяет высокую пропускную способность и мощность сигнала, то от профиля зависит траектория, по которой расходятся пучки света. Направление движения модов в конечном счете определит, с какой скоростью тот или иной луч придет к завершению световода. В условиях работы градиентного профиля задержки по времени движения лучей почти нивелируются, а моды направляются плавно по волнообразным спиралям.
- Одномодовые волокна. Характеризуются небольшим диаметром в сердцевине и, соответственно, обеспечивают движение только в одном контуре. Диаметр одномодового оптического волокна составляет не более 10 микрон. Однако общая толщина конструкции кабеля может увеличиваться за счет дополнительных защитных оболочек.
Кроме количества модов, используются классификации оптоволокна по присутствию светопропускных материалов в конструкции и структуре центральной функциональной части в принципе.
Характеристики оптического волокна
Способности оптоволокна передавать сигнал во многом определяются его геометрическими и оптическими качествами. Среди характеристик геометрического свойства можно выделить некруглость и неконцентричность. Что касается первого параметра, то он определяется через разность максимальной и минимальной толщины в одном контуре, поделенную на радиус. Малые диаметры оптического волокна порядка 10-20 микрон, как правило, характеризуются небольшими коэффициентами некруглости. В свою очередь, неконцентричность определяется расстоянием от центров оболочки и сердцевины волокна.
Существенное значение для качества передачи сигнала имеют и оптические параметры материала, которые можно представить так:
- Затухание. Иными словами, потери сигнала, связанные с уменьшением мощности оптического излучения. Эффект затухания может обуславливаться разными физическими процессами, происходящими в структуре оптоволокна. К основным факторам такого влияния относят рассеяние и поглощение.
- Числовая апертура. Данная характеристика выражается синусом наибольшего угла падения светового луча на торец оптического волокна, при котором реализуется полное отражение. По этому показателю кроме эффективности передачи сигнала можно определить число распространяющихся в одном кабеле мод.
- Дисперсия. Это частота следования импульсов по волокну, при которой также допускается перекрывание одних сигналов другими. В результате возникает эффект межсимвольной интерференции, обуславливающий возможные ошибки при обработке информации.
Стандарты оптоволокна
Для определения общих нормативов изготовления материала оптоволоконных линий существуют специальные стандарты. К наиболее современному нормативу можно отнести маркировку G.657, которая была утверждена в 2006 г. Этим документов, в частности, регулируются параметры одномодовых волоконных кабелей, которые могут применяться в сетях доступа. Согласно данному стандарту, оптические волокна должны иметь диаметр порядка 6-9 мкм при длине волны 1310 нм. Применяется и стандарт IEC 60793, в котором приводятся описания методов и способов испытаний оптоволоконных материалов, а также их типизация.
Способы соединения оптоволокна
Для создания многокилометровых магистралей неизбежно применение отдельных светодиодов. Различают два разных подхода к сращиванию оптоволоконных линий – путем разъемного и неразъемного соединения. В первом случае используются механические коннекторы. Они требуют меньше усилий в процессе соединения, но обходятся дорого, нуждаются в регулярном обслуживании, а также негативно сказываются на качестве передачи сигнала. Поэтому чаще используют неразъемные или монолитные соединения, реализуемые техниками склеивания и сваривания.
Наиболее распространенным методом соединения оптических волокон можно назвать склейку. Для нее используют специальное оборудование, но основные рабочие мероприятия выполняются вручную. Так, перед операцией оба окончания линий тщательно очищаются, избавляются от защитного покрытия и других изоляторов. На время соединения концы волокон помещаются в специальный коннектор для фиксации положения. Далее используется эпоксидный клей, которым заполняют внутренние полости световодов, а также свободные ниши в коннекторе. В конструкции соединителя для ввода клеевой массы предусмотрен специальный разъем, через который посредством дозатора и вводится смесь. Затем следуют операции сушки и затвердевания. Для этого конструкцию помещают в специальную печь, работающую при 100°C.
Когда место соединения затвердевает, излишки клея убираются, а поверхности коннектора полируются. Качество склеенного скола проверяется на высокоточном микроскопе с 200-кратным увеличением. При необходимости участок дополнительно обрабатывается мелкозернистыми абразивами до получения ровного стыка без выраженных швов.
Сварка оптического волокна
В работе также задействуются специальные аппараты, в конструкцию которых входит блок питания, удерживающая заготовку механическая часть, электротехническая начинка, аппаратная часть и печь для термоусадки с рабочими органами распайки. Технологический процесс выглядит так:
- Разделка волокна. Полностью снимаются защитные оболочки, изоляция и кожухи, пока не откроется структура из 8-16 волокон, которые далее подвергаются очистке.
- На волокна надевается гильза с двумя термоусадочными трубками и стержнем.
- Производится специальный скол прецизионным скалывателем таким образом, чтобы поверхность нити со стороны полости была перпендикулярна оси контура.
- Волокна укладываются в зажимной механизм аппарата.
- Аккуратно выполняется юстировка, то есть подгонка свариваемых частей друг к другу.
- Разжигается электрическая дуга.
- Выполняется непосредственная сварка оптического волокна с медленным перемещением к тепловой камере, где будет произведена термоусадка материала.
- Прошедшие сварку волокна необходимо уложить в специальную форму для восстановления температурного режима без повреждений структуры.
Данная технология обеспечивает качественное соединение при незначительных потерях в светопропускном коэффициенте. Построение высокоскоростных трасс на оптоволокне обычно выполняется именно таким способом. В промышленных условиях сегодня используют и лазерную сварку повышенной точности, которая выполняет едва ли не идеальную расплавку концов волокон, практически не оставляя следов спайки.
Применение оптоволоконных линий
Такие кабели в основном используют для организации сетей передачи сигналов вокруг и внутри объектов. Вешние коммуникационные линии на данном материале строятся в очень редких случаях по причине высокой стоимости. Тем не менее для бытового использования данная технология оказывается оптимальным решением как доступное средство высокоскоростной передачи данных на цифровой платформе. Более того, по сравнению с традиционными сетями прокладка оптического волокна на пути к абоненту не требует подключения к активному оборудованию – линия тянется непосредственно до места эксплуатации. Отчасти и благодаря этой особенности достигается высокая пропускная способность информационной трассы. Разумеется, сам канал может делиться на отдельных участках, которые обслуживаются сплиттерами, но они практически не влияют на качество передачи данных. Уже на месте эксплуатации в качестве преобразователя сигнала может использоваться Ethernet-интерфейс, модули Wi-Fi, роутер или другие устройства подключения. Сохраняются и все возможности для разветвления сети в помещении.
Плюсы технологии
Световоды имеют массу достоинств, обусловленных оптическим способом передачи данных, а также спецификой физических характеристик материала изготовления кабелей. Начать стоит с уже упоминавшейся скорости, которая может достигать 1 Тбит/сек, и это далеко не предел даже на сегодняшний день. Характер использования линий универсален, что дает еще один плюс. К абоненту по одному оптическому кабелю можно предоставлять несколько услуг, среди которых телевидение, интернет, телефонная связь и т. д. Поскольку электрического напряжения на линии не будет, ей не страшны воздействия влаги. Но, конечно, это не говорит о полной защищенности оптоволокна от внешних угроз. К основным перечисленным преимуществам световодов можно добавить и еще несколько важных плюсов:
- Компактность и небольшой вес.
- Высокая помехоустойчивость.
- Долговечность кабеля.
- Гибкость материала.
- Исключается несанкционированный доступ к транслируемой информации путем индукционного считывания, врезки и других методов вторжения на линию передачи данных.
Минусы технологии
Оптоволоконная линия имеет и ряд существенных недостатков, связанных с конструкционным устройством и также с техническими качествами самого материала. К минусам кабеля можно отнести следующее:
- Чувствительность к изгибам. Кварцевое стекло как таковое при значительных сгибах может поломаться, но даже если этого не происходит, то будет иметь место ухудшение сигнала. Соответственно, возникают ограничения при монтаже оптического волокна в тесных условиях прокладки.
- Высокая стоимость кабеля. Технология изготовления, обработки и наружного покрытия соответствует по цене производству витой пары наивысшей пятой категории.
- Сложность починки и восстановления при разрывах. Без специального инструмента ремонтные работы произвести невозможно. При этом специалистам иногда приходится заменять целые участки, так как определенные категории повреждений влекут за собой негативные последствия деформации по всей ближней структуре световода.
Заключение
Оптоволоконные технологии не стоят на месте и едва ли не каждый год демонстрируют улучшения тех или иных технико-эксплуатационных качеств. Одной из последних разработок в этом сегменте можно назвать биорастворяемые световые волокна, которые могут контролировать состояние структуры материала с помощью датчиков.
Вместе с этим расширяется и область применения оптического кабеля, достоинства которого высоко оценивают разработчики охранно-тревожных сигнализаций, систем видеонаблюдения и телеметрии. Пока в средства безопасности активно внедряют модули беспроводной передачи данных, параллельно осваиваются принципы создания конфиденциальной защищенной сети на базе высокоскоростных оптических линий. Данная концепция выигрывает у привлекательных беспроводных сетей за счет стабильности работы, исключения помех и широких возможностей создания закрытых подсетей. Если прежде такими преимуществами пользовались строители кабельной инфраструктуры на той же витой паре, то сегодня еще в большей мере их можно обеспечивать за счет оптоволокна. Разумеется, делая поправки и на слабые места этого материала.
