Как работает оптоволоконный кабель

В прошлой статье рассказывалось о самых распространенных типах оптоволоконного кабеля, применяемых на Украине. А сегодня — кабель в разрезе, и по ходу повествования – некоторые практические моменты его монтажа.

Мы не будем останавливаться на подробной структуре всех видов кабеля. Возьмем некий усредненный типовой ОК:

  1. Центральный (осевой) элемент.
  2. Оптическое волокно.
  3. Пластиковые модули для оптических волокон.
  4. Пленка с гидрофобным гелем.
  5. Полиэтиленовая оболочка.
  6. Броня.
  7. Внешняя полиэтиленовая оболочка.

Что же представляет каждый слой при подробном рассмотрении?

Центральный (осевой) элемент

Стеклопластиковый прут в полимерной оболочке или без нее. Основное назначение – придает жесткость кабелю. Стеклопластиковые стержни без оболочки плохи тем, что легко ломаются при изгибе и повреждают расположенное вокруг них оптоволокно.

Оптическое волокно

Нити оптического волокна чаще всего имеют толщину в 125 микрон (примерно с волос). Они состоят из сердечника (по которому, собственно, идет передача сигнала) и стеклянной же оболочки немного другого состава, обеспечивающей полное преломление в сердечнике.

В маркировке кабеля диаметр сердечника и оболочки обозначается цифрами через слэш. К примеру: 9/125 – сердцевина 9 мкм, оболочка — 125 мкм.

Количество волокон в кабеле варьируется от 2 до 144, это также фиксируется цифрой в маркировке.

В зависимости от толщины сердечника оптоволокно подразделяется на одномодовое (тонкий сердечник) и многомодовое (большего диаметра). В последнее время многомод применяется все реже, поэтому останавливаться на нем не будем. Отметим только, что предусмотрен он для использования на небольшие расстояния. Оболочку многомодового кабеля и патчкордов обычно делают оранжевого цвета (одномодовый – желтый).

В свою очередь одномодовое оптическое волокно бывает:

  • Стандартное (маркировка SF, SM или SMF);
  • Со смещенной дисперсией (DS, DSF);
  • С ненулевой смещенной дисперсией (NZ, NZDSF или NZDS).

В общих чертах – оптоволоконный кабель со смещенной дисперсией (в т.ч. с ненулевой) применяется на гораздо большие расстояния, чем обычный.

Поверх оболочки стеклянные нити покрыты лаком, и этот микроскопический слой тоже играет важную роль. Оптоволокно без лакового покрытия повреждается, крошится и ломается при малейшем воздействии. В то время как в лаковой изоляции его можно скручивать и подвергать некоторой нагрузке. На практике оптоволоконные нити неделями выдерживают вес кабеля на опорах, если в процессе эксплуатации рвутся все остальные силовые стержни.

Однако не стоит возлагать на прочность волокон слишком большие надежды – даже покрытые лаком они легко ломаются. Поэтому при монтаже оптических сетей, особенно при ремонте действующих магистралей, требуется предельная аккуратность.

Пластиковые модули для оптических волокон

Это пластиковые оболочки, внутри которых – пучок оптоволоконных нитей и гидрофобная смазка. В кабеле может быть либо одна такая туба с оптоволокном, либо несколько (последнее – чаще, особенно если волокон много). Модули выполняют функцию защиты волокон от механических повреждений и попутно – их объединения и маркировки (если модулей в кабеле несколько). Однако нужно помнить, что пластиковый модуль при изгибе довольно просто переламывается, и ломает находящиеся в нем волокна.

Какого-то одного стандарта на цветную маркировку модулей и волокон нет, но каждый производитель прикрепляет к барабану с кабелем паспорт, в котором это обозначено.

Пленка и полиэтиленовая оболочка

Это элементы дополнительной защиты волокон и модулей от трения, а также влаги – в некоторых видах оптического кабеля под пленкой содержится гидрофоб. Пленка сверху может быть дополнительно армирована переплетением нитей и пропитана гидрофобным гелем.

Пластиковая оболочка выполняет те же функции, что и пленка, плюс служит прослойкой между броней и модулями. Есть модификации кабеля, где ее вообще нет.

Броня

Это может быть либо кевларовая броня (сплетенные нити), либо кольцо стальных проволок, либо лист гофрированной стали:

  • Кевлар применяется в тех видах оптоволоконного кабеля, где содержание металла недопустимо или если нужно снизить его вес.
  • Кабель с броней из стальных проволочек предназначен для подземной укладки непосредственно в грунт – прочная броня защищает от многих повреждений, в т.ч. от лопаты.
  • Кабель с гофроброней прокладывают в трубах или кабельной канализации, защитить такая броня может лишь от грызунов.

При разделке кевлар рекомендуется не резать, а откусывать, т.к. режущий инструмент практически моментально тупится.

Читайте также:  Как настроить кухонные электронные весы

Внешняя полиэтиленовая оболочка

Первый и практически самый важный уровень защиты. Плотный полиэтилен призван выдерживать все нагрузки, выпадающие на долю кабеля, поэтому если он повреждается, существенно увеличивается риск порчи кабеля. Нужно следить, чтобы оболочка:

a) Не была повреждена при монтаже – иначе попавшая внутрь влага увеличит потери на линии;

b) Не касалась в процессе эксплуатации о дерево, стену, угол или ребро конструкции и т.д., если есть риск возникновения трения в этом месте при ветровых и иных нагрузках.

Скоростной интернет, цифровое телевидение, мобильная связь возможны благодаря тонким стеклянным нитям, тянущимся по морскому дну между континентами. Если бы не оптоволокно, вы бы вряд ли читали эти строки.

Принципиальные основы этой технологии описаны еще в середине XIX века. Тогда в роли проводника сигнала пытались использовать воду – безуспешно. Подходящие для реализации смелой идеи материалы были разработаны только через сто с лишним лет.

Проводник для света

В обычном проводе сигнал передается по медной жиле. Информацию переносит поток электронов – электрический ток. Данные передаются зашифрованными в двоичном коде. Если импульс проходит – это обозначает единицу, не проходит – ноль.

В оптоволоконной линии связи принцип кодировки тот же, но информацию переносят фотоны или световые волны, точнее, и то, и другое одновременно. Ученые так долго спорили о природе света, что в конце концов объединили несовместимые теории. Но не нужно понимать квантово-волновой дуализм, чтобы разобраться, как свет используют для передачи информации в телекоммуникационных сетях.

Достаточно понять, как заставить свет течь по проводам на протяжении километров.

Первое, что приходит в голову, – зеркала. Сделайте металлическую трубку и покройте изнутри гладким слоем, например, из серебра.

Свет, попав внутрь с одной стороны, будет отражаться от стенок, пока не достигнет выхода с другой стороны. Неплохая идея, но она не будет работать.

Во-первых, изготовление такой трубки нужной длины – чрезвычайно сложная, а значит и дорогая задача.

Во-вторых, коэффициент отражения серебра – 99%, то есть попавший в трубку свет будет терять энергию и уже через 100 отражений совершенно погаснет.

Гораздо лучше обойтись и без зеркал. Как это сделать, подскажут основы геометрической оптики, заложенные в XIX веке.

Основную идею легко продемонстрировать на примере аквариума. Луч света от источника под водой проходит через границу воды и воздуха – двух сред с разными оптическими свойствами – и частично меняет направление движения, а частично отражается от границы двух сред как от зеркала.

Если угол падения луча уменьшать, в определенный момент свет перестанет выходить из воды вовсе и будет отражаться полностью, на 100%. Граница двух сред работает лучше всякого зеркала.

Как выяснилось, чтобы создать такую границу, вода не нужна. Подойдут любые два материала, по-разному пропускающие свет – имеющие разные коэффициенты преломления. Даже разницы в 1% достаточно для создания световода.

Стеклянные провода

В светильниках и игрушках световоды делают из пластмасс, но, чтобы получить пригодное для связи оптоволокно, необходимы более дорогие и более прозрачные материалы.

Ученые приспособили для этой цели кварцевое стекло. Сердцевину заготовки для оптоволокна чаще всего делают из чистого диоксида кремния. Внешний слой также создают из кварца, но с примесью бора или германия для снижения коэффициента преломления.

Раньше, чтобы получить такую заготовку, просто вставляли две стеклянные трубки друг в друга, но сегодня чаще поступают иначе. Полые трубки из чистого кварца наполняют смесью газов с высоким содержанием германия и медленно нагревают до тех пор, пока германий не осядет равномерным слоем на внутреннюю поверхность.

После того как на кварцевом стекле нарастет достаточно толстый слой оксида германия, трубу нагревают до размягчения и вытягивают до тех пор, пока полость внутри не схлопывается.

Так получается стержень диаметром от 1 до 10 сантиметров и длиной приблизительно 1 метр, уже содержащий в сердцевине кварц с добавкой германия, имеющий повышенный показатель преломления и оболочку из чистого кварца вокруг.

Такую заготовку доставляют на вершину башни высотой до нескольких десятков метров. Там нижнюю часть заготовки вновь нагревают до полутора тысяч градусов — почти что до точки плавления, и вытягивают из нее тончайшую нить. По пути вниз стекло остывает и окунается в ванну с полимером, который формирует на поверхности кварца защитный слой. Таким методом из одной заготовки получается до 100 км стекловолокна. У основания башни остывшее волокно наматывается на бобину.

Читайте также:  Как заточить резец для резьбы по дереву

Да, именно наматывается: как ни странно, кварцевое волокно легко гнется.

Получившиеся волокна собираются в пучки по несколько штук и запаиваются в полиэтилен. Затем из этих пучков сплетаются кабели.

В каждом кабеле может быть от двух-трех и до нескольких сотен световодов. Снаружи они для прочности оплетаются полимерной нитью и получают еще одну защитную оболочку из полиэтилена.

Преимущества и недостатки оптоволокна

Все эти сложности оправданы потому, что свет – самое быстрое, что есть во Вселенной.

Благодаря этому свойству света оптоволокно обладает непревзойденной информационной емкостью. Витая пара, подобная телефонной линии, или коаксиальный кабель, проводник с экраном, пропускают 100 мегабит в секунду.

Самый распространенный для компьютерных сетей восьмижильный кабель из 4 скрученных пар пропускает до 1000 мегабит в секунду. Оптоволокно по одной жиле — в три раза больше, до 3000 мегабит в секунду, а при помощи различных экспериментальных ухищрений можно преодолеть и этот порог.

К тому же оптоволокно значительно легче меди. При толщине 9 микрон – тоньше человеческого волоса – нить из кварца длиной 100 км весит около 15 г.

Практически все современные магистральные линии передачи данных проложены из оптоволоконных кабелей. Они связывают континенты, страны и дата-центры.

В крупных городах «оптика» используется и при подключении многоквартирных домов к мировой сети, но волокно прокладывается между провайдером и домом, а по квартирам разводится обычная витая пара.

При такой схеме подключения максимальная скорость доступа к сети для абонента по-прежнему не превышает 100 Мбит/с. Для сравнения, проведя оптический кабель прямо в квартиру, можно получить канал в 1 Гбит/с, и все же потребитель редко сталкивается с оптоволоконным Интернетом.

Дело не только в том, что оптоволокно дорого в производстве. Проложить кабель – это лишь начало. Сигналы, идущие по линии связи, с расстоянием накапливают ошибки и в конце концов вовсе затухают. У витой пары это происходит через 1 км, у коаксиального кабеля примерно через 5 км. После сигнал приходится восстанавливать и усиливать – регенерировать.

У оптоволокна дистанция регенерации в разы больше, но, каким бы чистым ни было кварцевое стекло, в нем остаются примеси, например, миллионные доли процентов воды.

Длина волокна может составлять сотни тысяч километров, но через 100–200 км затухание оптического сигнала все же себя проявляет.

Поэтому на линиях оптоволоконной связи устанавливаются промежуточные усилители, которые восстанавливают амплитуду оптического сигнала, и регенераторы, удаляющие помехи. Такое оборудование значительно более дорогое, чем усилители на традиционных линиях связи, и требует квалифицированного обслуживания.

Но главное, на данный момент гигабитные каналы связи мало востребованы обычными людьми. Возможно, с появлением умных домов, носимых компьютеров, распространением стриминга видео в сверхвысоком разрешении потребность в них возрастет, но пока скорости, предоставляемой витой парой, среднему потребителю вполне достаточно.

Даже не соприкасаясь с этой технологией напрямую, каждый из нас пользуется ее преимуществами. Стабильность подключения, малая задержка прохождения сигнала до самых удаленных серверов и высокая скорость получения ответа от них, возможность снять деньги в любом банкомате и совершить звонок в любую страну мира – все это заслуга оптоволокна, и конкурентов у него нет и в проекте.

Запертый свет

По медной витой паре (как в вашем интернет-кабеле) во множестве движутся электроны. Ток предается по проводнику и несет с собой закодированную в последовательности импульсов — информацию. Нули и единицы — двоичный код, о котором слышали, пожалуй, все. Оптический проводник сигнала работает по тому же принципу, но с точки зрения физики, с ним все гораздо сложнее. Тут могла бы быть получасовая лекция о квантовой механике, и о том, как множество именитых физиков пришли в тупик, пытаясь понять природу света, но постараемся обойтись без пространных рассуждений.

Достаточно держать в уме то, что подобно электронам, фотоны или световые волны (на самом деле в нашем контексте это одно и то же), могут переносить закодированную информацию. Так, например, на аэродромах, в случаях отказа радиосвязи, передают сигналы самолетам при помощи направленных прожекторов. Но то примитивный метод, да и работает он лишь на расстоянии прямой видимости. В то же время, по оптоволокну свет передается на километры и далеко не по прямой траектории.

Чтобы добиться такого эффекта, можно было бы использовать зеркала. Собственно, с этого инженеры-испытатели и начали свои эксперименты. Они покрывали металлические трубы изнутри зеркальным слоем и направляли внутрь луч света. Но мало того, что подобные световоды стоили непомерно дорого. Свет многократно отражался от их стенок и постепенно затухал, терял силу и совершенно сходил на нет.

Читайте также:  Как правильно установить электрическую плиту

Зеркала не годились. Иначе и быть не могло. Даже самое дорогое зеркало не идеально. Его коэффициент отражения меньше 100% и после каждого падения на зеркальную поверхность световой луч теряет часть энергии, а в замкнутом объеме световода таких преломлений происходит неисчислимое множество.

Тут-то и пришло время вспомнить о пруде и тех давних исследованиях, что основывались на наблюдении за поведением света в воде. Представьте, как луч закатного солнца падает на поверхность воды, преодолевает границу и направляется вниз, к дну пруда.

Те из читателей, кто помнит школьный курс физики, наверняка уже догадываются, что свет изменит направление своего движения. Часть света пройдет под воду, чуть изменив угол своего движения, а другая незначительная часть света отразится обратно в небо, потому, как «угол падения равен углу отражения». Если долгое время наблюдать за этим явлением, однажды, можно заметить, что свет, отраженный от зеркала под водой, под определенным углом так и не сумеет вырваться наружу — отразится от границы воды и воздуха полностью, лучше, чем от всякого зеркала. Дело не в воде как таковой, а в сочетании двух сред с различными оптическими свойствами — неодинаковыми коэффициентами преломления. Для создания световой ловушки достаточно минимального их различия.

Гибкие световоды

Связь со скоростью света

Домашний интернет на постсоветском пространстве, зачастую, проводят по двужильной витой паре с проводниками толщиной в один — два миллиметра. Максимумом для нее, оказывается показатель в 100 мегабит в секунду. Этого достаточно для пары компьютеров, но, когда в квартире оказываются умный телевизор, NAS, раздающий торренты, домашний сервер, несколько смартфонов и умных девайсов из мира интернета вещей, не хватит и восьмижильного провода. Ограничения канала связи становятся очевидны. Как правило, в виде артефактов и заикающихся киногероев на экране телевизора, или лагов в онлайн-играх. Оптоволокно толщиной 9 микрон обладает в 30 раз большей пропускной способностью, не говоря уже о том, что таких жил в проводе может быть несколько.

При этом оно компактнее и весит значительно меньше обычных проводов, что оказывается решающим преимуществом, при прокладке магистральных линий связи и планировании городских коммуникаций.

Оптическое волокно не только дорогое и сложное в производстве. Еще дороже оказывается его квалифицированное обслуживание. Тут не обойтись без синей изоленты. При монтаже волокна кварца необходимо специальным образом сращивать, а линии оптоволоконной связи комплектовать дополнительным оборудованием.

Несмотря на то, что разность коэффициентов преломления в сердцевине и оболочке волокна в теории создает идеальный световод, запущенный по кварцевому проводу свет все равно затухает из-за примесей, содержащихся в стекле. Увы, избавиться от них полностью практически невозможно. Десятка молекул воды на километр оптического волокна уже достаточно, чтобы внести в сигнал ошибки и снизить расстояние, на которое его можно передать.

С подобной проблемой сталкиваются инженеры-электрики и в случае с обычными проводами. Расстояние, на которое можно без проблем отправить сигнал по проводу они называют дистанцией регенерации.

Для стандартного телефонного кабеля она равняется километру, у экранированного кабеля — пяти. Оптоволоконная жила удерживает свет на расстоянии до нескольких сотен километров, но, в конце концов, сигнал все равно приходится усиливать, регенерировать. На классических линиях связи устанавливаются сравнительно дешевые и простые усилители. Для оптоволоконных – требуются сложные и высокотехничные агрегаты в которых используются редкоземельные металлы и инфракрасные лазеры.

В линию связи врезают небольшой участок специально подготовленного стекловолокна. Оно дополнительно насыщенно атомами эрбия, редкоземельного элемента используемого, помимо прочего, в атомной промышленности. Атомы эрбия в этом участке волокна находятся в возбужденном состоянии из-за дополнительной накачки светом. Проще говоря, их подсвечивают специально настроенным лазером. Сигнал, проходящий такую область кабеля, усиливается примерно в два раза, поскольку атомы эрбия в ответ на воздействие излучают свет той же волны, что и входящий сигнал, а значит, сохраняют закодированную в нем информацию. После усилителя оптический сигнал может пройти еще около ста километров, прежде чем процедуру потребуется повторить.

Оставьте первый комментарий

Оставить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован.


*