Ещё о технологиях передачи данных по оптике. Волновое мультиплексирование сигналов
На Хабре не так много статей, посвященных технологиям оптических линий связи. Совсем недавно появилась статья об оптическом бюджете, были статьи о мощных системах DWDM, и краткая статья о применении системы CWDM. Я постараюсь дополнить эти материалы и рассказать Вам вкратце обо всех самых распространенных и доступных в России способах использования ресурса волоконно-оптических линий связи в сетях передачи данных и — совсем немножко — кабельного телевидения.
Начало. Свойства стандартного одномодового волокна G.652
Самое распространенное одномодовое оптическое волокно — это SMF G.652 разных модификаций. Практически наверняка, если у Вас есть волоконно-оптическая линия, она сделана из волокна G.652. У него есть ряд важных характеристик, которые надо иметь в виду.
Удельное (его ещё называют километрическим) затухание — то есть затухание одного километра волокна — зависит от длины волны излучения.
Википедия подсказывает нам следующее распределение:
.
В реальной жизни сейчас картина получше, в частности удельное затухание в окне 1310нм обычно укладывается в 0.35дБ/км, в окне 1550нм оно порядка 0.22-0.25дБ/км, а так называемый «водяной пик» в районе 1400-1450нм у современных волокон не так сильно выражен, либо вообще отсутствует.
Тем не менее, надо иметь в виду эту картину и само наличие этой зависимости.
Исторически диапазон длин волн, который пропускается оптическим волокном, делится на следующие диапазоны:
O — 1260…1360
E — 1360…1460
S — 1460…1530
C — 1530…1565
L — 1565…1625
U — 1625…1675
(цитирую по той же статье на Википедии).
С приемлемым приближением свойства волокна внутри каждого диапазона можно считать примерно одинаковыми. Водяной пик приходится, как правило, на длинноволновый конец E-диапазона. Ещё будем иметь в виду, что удельное (километрическое) затухание в O-диапазоне примерно в полтора раза выше, чем в S- и в С-диапазоне, удельная хроматическая дисперсия — наоборот, имеет нулевой минимум на длине волны в 1310нм и ненулевая в C-диапазоне.
Простейшие системы уплотнения — двунаправленная передача по одному волокну
Первоначально дуплексная волоконно-оптическая линия связи требовала для работы два волокна: по одному волокну шла передача информации в одну сторону, по другому волокну — в другую. Это удобно своей очевидностью, но довольно расточительно по отношению к использованию ресурса проложенного кабеля.
Поэтому, как только стала позволять технология, стали появляться решения для передачи информации в обе стороны по одному волокну. Названия подобных решений — «одноволоконные трансиверы», «WDM», «bi-directional».
В самых распространенных вариантах используются длины волн 1310 и 1550нм, соответственно из O- и C-диапазона. «В дикой природе» трансиверы на эти длины волн встречаются для линий до 60км. Более «дальнобойные» варианты делаются на другие комбинации — 1490/1550, 1510/1570 и тому подобные варианты с использованием окон прозрачности с мЕньшим удельным затуханием, чем в O-диапазоне.
Кроме вышеперечисленных пар длин волн, возможно встретить комбинацию 1310/1490нм — она используется, если одновременно с данными по этому же волокну передается сигнал кабельного телевидения на длине волны 1550нм; или 1270/1330нм — она используется для передачи 10Гбит/с потоков.
Мультиплексирование данных и кабельного телевидения
Раз уж я затронул тему КТВ, расскажу о нем ещё немного.
Для доставки сигнала кабельного телевидения от головной станции до многоквартирного дома сейчас тоже используется оптика. Для него используется либо длина волны 1310нм — здесь минимальная хроматическая дисперсия, то есть искажение сигнала; либо длина волны 1550нм — здесь минимальное удельное затухание и возможно применение чисто-оптического усиления с использованием EDFA. Если есть необходимость доставки на один дом одновременно и потока данных (интернет) и синала КТВ, нужно либо использовать два отдельных волокна, либо несложное пассивное устройство — фильтр FWDM.
Это обратимое устройство (то есть одно и то же устройсто используется как для мультиплексирования, так и для демультиплексирования потоков) с тремя выводами: под КТВ, одноволоконный трансивер и общий выход (см. схему). Таким образом можно строить сеть PON или Ethernet, используя для передачи данных длины волн 1310/1490, а для КТВ — 1550нм.
CWDM и DWDM
Об уплотнении CWDM уже вкратце рассказал theslim. От себя дополню лишь, что указанные в статье каналы на прием и передачу данных — это чистая условность, мультиплекору абсолютно всё равно, в какую сторону идет сигнал в каждом канале; а оптические приемники — широкополосные, они реагируют на излучение любой длины волны. Из важных моментов, которые надо иметь в виду при проектировании линии CWDM — это различие удельного затухания в волокне на разных каналах (см. первый раздел настоящей статьи), а также различие вносимого самим мультиплексором затухания. Мультиплексор сделан из последовательно соединенных фильтров, и если для первого в цепочке канала затухание может быть меньше одного децибела, то для последнего оно будет ближе к четырем (эти значения приведены для мультиплексора 1х16, на 16 длин волн). Также полезно помнить, что никто не запрещает строить двухволоконные CWDM-линии, просто объединив две пары мультиплексоров в один функциональный блок.
Кроме этого замечу, что вполне возможно часть частотного ресурса выделить под КТВ, передавая по одному волокну до семи дуплексных потоков данных одновременно с аналоговым телевидением.
Система DWDM принципиально ничем не отличается от CWDM, но — как говорится — «дьявол кроется в деталях». Если шаг каналов в CWDM — 20нм, то для DWDM он гораздо уже и измеряется в гигагерцах (самый распространенный сейчас вариант — 100ГГц, или около 0.8нм; также возможен устаревающий вариант с полосой 200ГГЦ и постепенно распространяются более современные — 50 и 25ГГц). Частотный диапазон DWDM лежит в C- и L-диапазоне, по 40 каналов в 100ГГц в каждом. Из этого следует несколько важных свойств DWDM-систем.
Во-первых, они значительно дороже CWDM. Для их использования требуются лазеры со строгим допуском по длине волны и мультиплексоры очень высокой избирательности.
Во-вторых, используемые диапазоны лежат в рабочих зонах оптических усилителей EDFA. Это позволяет строить длинные линии с чисто-оптическим усилением без необходимости оптоэлектронного преобразования сигнала. Именно это свойство привело к тому, что многие при слове «DWDM» сразу представляют себе именно сложные системы монстров телеком-рынка, хотя подобное оборудование можно использовать и в более простых системах.
И в-третих, затухание в C- и L-диапазонах минимально из всего окна прозрачности оптического волокна, что позволяет даже без усилителей строить линии бОльшей длины, чем при использовании CWDM.
Мультиплексоры DWDM — это так же пассивные устройства, как и мультиплексоры CWDM. Для числа каналов до 16 они также устроены из отдельных фильтров, и это довольно простые устройства. Однако мультиплексоры для бОльшего числа каналов делаются по технологии Arrayed Wavelength Grating, крайне чувствительной к изменениям температуры. Поэтому такие мультиплексоры выпускаются либо с электронной схемой термостабилизации (Thermal AWG), либо с применением специальных способов автокомпенсации, не требующих энергии (Athermal AWG). Это делает такие мультиплексоры более дорогими и нежными в эксплуатации.
Практические ограничения в волоконно-оптической связи
В заключение я немного расскажу об ограничениях, с которыми приходится иметь дело при организации связи по оптике.
Как совершенно справедливо отметил товарищ saul, первое ограничение — это оптический бюджет.
Дополню его некоторыми уточнениями.
Если мы говорим о двухволоконных линиях связи, расчет оптического бюджета достаточно сделать для одной длины волны — той, на которой будет вестись передача.
Как только у нас появляется волновое уплотнение (особенно в случае одноволоконных трансиверов или систем CWDM) — сразу надо вспомнить про неравномерность удельного затухания волокна на разных длинах волн и про затухание, вносимое мультиплексорами.
Если мы строим систему с промежуточными ответвлениями на OADM — не забываем посчитать затухание на OADM. Кстати, оно отличается для сквозного канала и выводимых длин волн.
Не забываем оставить несколько децибел эксплуатационного запаса.
Второе, с чем приходится иметь дело — это хроматическая дисперсия. Актуальной она по-настоящему становится для 10Гбит/с линий, и вообще говоря, о ней в первую очередь думает производитель оборудования. Кстати, именно дисперсия придает физический смысл упоминанию километров в маркетинговых названиях трансиверов. Специалисту эксплуатации просто полезно понимать, что есть такое свойство волокна и что кроме затухания сигнала в волокне картину портит ещё и дисперсия.
Для простых систем без усилителей расчет линии в основном сводится к расчету оптического бюджета, а тема расчета линии с усилителями вполне достойна отдельной статьи.
Вот, вкратце, инженерные основы технологий уплотнения в оптических линиях. Надеюсь, эта информация будет полезна читателям; на возникшие вопросы я с радостью отвечу.
Оптоволокно: прошлое и настоящее
В 1966 году ученый и выходец из Китая Чарльз Као Куэн представил миру результаты собственного исследования. Основной посыл его разработок заключался в том, что оптическую связь можно организовать с помощью стеклянного волокна. В своей работе Као представил миру уникальные конструктивные особенности волокна и его материалов. Исследования ученого можно по праву считать основой волоконно-оптических телекоммуникаций сегодняшнего дня. Первое же упоминание термина “оптическое волокно” впервые было использовано в 1956 году компанией NS Kapany из США.
Сегодня технологии волоконно-оптической связи настолько прочно проникли в нашу жизнь, что мы уже не видим в них ничего удивительного и воспринимаем их наличие также, как наличие водопровода в многоквартирном доме. Поэтому в этой публикации хотелось бы подробнее поговорить об оптике и рассказать несколько интересных фактов о технологии, на которой основана современная высокоскоростная связь.
Немного истории
За время истории развития волоконной оптики было проведено множество интересных исследований и экспериментов. Остановим свой взгляд лишь на некоторых из них.
Английский физик Джон Тиндалл провел эксперимент с отражением светового луча в струе воды, описание которого он зафиксировал в своей книге.
«Если угол, под которым падает луч света из воды в воздух (т.е. угол между поверхностью двух сред и перпендикуляром), превышает 48 градусов, то луч не выходит из воды – он полностью отражается от границы вода-воздух… Если наименьший угол падения, при котором наблюдается полное внутреннее отражение, назвать предельным углом, то для воды он будет равным 48°27», для бесцветного стекла (флинтглас) – 38°41″, а для алмаза – 23°42″, — пишет Тиндалл.
Экспериментальная установка Джона Тиндалла
Этот эксперимент при желании может дома поставить любой желающий. Лазерной указкой нужно светить под разными углами в ванной на струю воды из крана. Под определенным углом световой луч будет полностью отражаться в потоке воды.
Аналогичный эксперимент можно произвести и с фонариком. Для этого в прозрачной пластиковой бутылке нужно сделать отверстие сбоку. Пропускаем воду через бутылку и начинаем светить фонарем с противоположной стороны бутылки. Если мы подставив ладонь, то на ней будет отражаться пятно света.
Активные разговоры о волоконных светодиодах начались еще в пятидесятых годах прошлого столетия. Тогда же и начали их делать из разного рода прозрачных материалов. Но прозрачности тех материалов не хватало для хорошей проводимости света.
В те годы Советский Союз даже опережал Запад в сфере волоконной оптики. Первая оптическая линия связи была запущена в СССР в 1977 году в Зеленограде. Канал был создан для соединения Северной промзоны и администрации города. Изготовлена она была на оптическом кабеле разработки особого конструкторского бюро кабельной промышленности (ОКБ КП), входящего в Концерн «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ) Государственной корпорации Ростех, специализирующегося на производстве кабелей и кабельных сборок.
В мае 1981 года в СССР вышло Постановление ЦК КПСС и СМ СССР «О разработке и внедрении световодных систем связи и передачи информации». Это событие стало толчком для развития волоконно-оптической связи и увеличению количества разработок в этой сфере.
В начале 60-х сначала в СССР, а затем и на Западе ученые приходят к выводу, что светопоглощение стекла сильно зависит от красящих материалов и продуктов разъедания огнеупоров. Экспериментально было доказано, что светопоглощение идеально чистого стекла настолько мало, что лежит за пределами чувствительности измерительных приборов.
В 1966 году группа ученых во главе Чарльзом Куэн Као приходит к выводу, что наиболее подходящим материалом для волоконно-оптической связи будет кварцевое стекло. Уже тогда Као считал, что с помощью оптики можно будет передавать информацию и вскоре этот вид связи заменит передачи сигнала по медным проводам.
Спустя три года Као получил волокно с коэффициентом затухания на уровне 4 дБ/км. Это результат стал первым экземпляром сверхпрозрачного стекла. Еще год спустя компания Corning Incorporated произвела волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и достигла коэффициента затухания 20 дБ/км на длине волны 633 нм. Впервые кварцевое волокно пропустило световой луч на расстояние до 2 километров.
Согласитесь в схожем темпе сейчас развивается квантовая передача данных. По чуть-чуть, да понемногу. В качестве экспериментов и коммерческого использования на небольших расстояниях.
Где оптоволокно применяется помимо телекома
Сегодня волокно применяется во множестве отраслей помимо телекома. Это рентгеновские аппараты, где оно обеспечивает гальваническую развязку между источником высокого напряжения и низковольтным управляющим оборудованием. Так персонал и пациенты получают изоляцию от высоковольтной части аппаратуры. Волокно применяют в распределительных устройствах электроподстанций в качестве датчика системы защиты.
Обширно оптические волокна используют в разного рода измерительных системах, где невозможно применять традиционные электроприборы. Например, в системах измерения температуры в реактивных двигателях самолета, в аппаратах МРТ (томографические медицинские аппараты для исследования внутренних органов, в том числе головного мозга) и др. Датчики на основе оптических волокон могут измерять частоту вибраций, вращения, смещения, скорость и ускорение, вращающий момент, скручивание и другие параметры.
Сегодня применяются гироскопы на основе оптического волокна, которые работают на основе эффекта Саньяка. У такого гироскопа нет подвижных частей, что делает его весьма надежным. Несмотря на то что в современных системах навигации используется огромное количество различных датчиков, благодаря которым определяется положение объекта, наиболее независимую систему можно создать лишь на основе волоконно-оптических гироскопов.
Оптика широко применяется в охранной сигнализации. Устроена такая охранная система следующим образом: когда злоумышленник проникает на территорию условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.
Пример реализации волоконно-оптического гироскопа
Трехосевой волоконно-оптический инерциальный измерительный модуль серии ASTRIX производства фирмы AIRBUS DEFENCE&SPACE; в датчик по каждому направлению встроен LiNb03 модулятор
Волокно активно используется в декоративных целях, как украшение праздников, в искусстве и рекламе.
Постоянно разрабатываются новые типы оптических волокон. К примеру, фотонно-кристаллических световоды. Распространение света в них основано на несколько иных принципах. Такое волокно можно использовать в качестве жидкостных, химических и газовых датчиков. Кроме того его можно применять для для транспортировки мощного излучения в промышленных или медицинских целях.
Уже не в новинку волоконные лазеры с выходной мощностью непрерывного излучения в несколько десятков киловатт. Оружие на основе 6-волоконных 5.5 кВт лазеров еще в 2014 году испытали в американском флоте. Волоконным лазерами режут металл и бетон. Например, установка для резки металла компании IPG Photonics имеет мощность в 100 кВт.
Полным ходом идет разработка оптоволокна, с помощью которого можно было бы передавать энергию лазерного излучения мощность в несколько киловатт. В теории передача излучения мощность 10 кВт по волокну длиной 250 м при диаметре сердцевины 150 мкм считается возможной.
Фотонно-кристаллическое волокно
Также стоит отметить, что сегодня активно разрабатываются многосердцевинные волокна. Их использование позволит значительно увеличить общую пропускную способность ВОЛС.
Волокну уже за пятьдесят, но технология явно не собирается на пенсию. Инновации в сфере оптоволокна появляются регулярно и телеком здесь далеко не единственная отрасль заинтересованная в развитии технологии.
- телекоммуникации и связь
- компания наг
- сотовая связь
- провайдеры интернет
- волс
- волоконно-оптическая связь
- оптоволокно
- Блог компании НАГ
- История IT
- Сетевое оборудование
Принцип преобразования и передачи информации по оптоволокну
Современные линии связи, предназначенные для передачи информации на большие расстояния, часто представляют собой именно волоконно-оптические линии, в силу достаточно высокой эффективности данной технологии, которую она на протяжении многих лет успешно демонстрирует, например — в качестве средства обеспечения широкополосного доступа в Интернет.
Само волокно состоит из стеклянной сердцевины, окруженной оболочкой с меньшим чем у сердцевины показателем преломления. Световой луч, отвечающий за передачу информации по линии, распространяется по сердцевине волокна, отражается на своем пути от оболочки, и таким образом не выходит за пределы передающей линии.
Источником света для формирования луча обычно служит диодный или полупроводниковый лазер, тогда как само волокно, в зависимости от диаметра сердцевины и распределения показателя преломления, может быть одномодовым или многомодовым.
Оптическое волокно в линиях связи превосходит электронные средства связи, позволяя с высокой скоростью и без потерь транслировать цифровые данные на огромные расстояния.
Принципиально оптоволоконные линии могут образовывать самостоятельную сеть, либо служить для объединения уже существующих сетей — участков магистралей оптических волокон, объединенных физически на уровне световода, либо логически — на уровне протоколов передачи данных.
Скорость передачи данных по ВОЛС может измеряться сотнями гигабит в секунду, как например стандарт 10 Гбит Ethernet, используемый на протяжении многих лет в современных телекоммуникационных структурах.
Годом изобретения оптоволокна считается 1970-й, когда Питер Шульц, Дональд Кек и Роберт Маурер — ученые из компании Corning — изобрели оптическое волокно с низким уровнем потерь, открывшее возможность дублировать проводную передающую систему телефонного сигнала без использования ретрансляторов. Разработчики создали проводник, позволяющий сохранить 1% мощности оптического сигнала на расстоянии 1 километра от источника.
Для технологии это был переломный момент. Изначально линии были рассчитаны на одновременную передачу сотен световых фаз, позже было разработано однофазное волокно большей производительности, способное сохранять сигнал целостным на большем расстоянии. Однофазное волокно с нулевым смещением длины волны, с 1983 года и по сей день, является наиболее востребованным типом оптоволокна.
Для передачи данных через оптоволокно, сигнал должен быть сначала преобразован из электрического вида в оптический, затем передан по линии, а после — преобразован в приемнике обратно в электрический. Все устройство называется приемопередатчиком, и включает в себя не только оптические, но и электронные компоненты.
Итак, первый элемент волоконно-оптической линии — оптический передатчик. Он преобразует последовательность данных, подаваемых в электрической форме — в оптический поток. В передатчик входят: параллельно-последовательный преобразователь с синтезатором синхроимпульсов, драйвер и источник оптического сигнала.
Источником оптического сигнала может выступать лазерный диод или светодиод. В системах телесвязи обычные светодиоды не используются. Ток смещения и модулирующий ток для прямого модулирования лазерного диода подается с лазерного формирователя. Далее уже свет подается через оптический соединитель — в волокно оптического кабеля.
На другой стороне линии сигнал и синхросигнал обнаруживаются оптическим приемником (прежде всего — фотодиодным датчиком), где они преобразуются в электрический сигнал, который усиливается, а затем восстанавливается форма переданного сигнала. В частности, поток последовательных данных может быть преобразован в параллельный.
За преобразование асимметричного тока с фотодиодного датчика в напряжение, за его последующее усиление и преобразование в дифференциальный сигнал, — отвечает предусилитель. Микросхема синхронизации и восстановления данных восстанавливает синхросигналы и их тактирование из принимаемого потока данных.
Мультиплексор с разделением времени позволяет достичь скорости передачи данных до 10 Гб/сек. Так, сегодня существуют следующие стандарты скорости передачи данных по оптоволоконным системам:
Еще больше повысить плотность передачи данных позволяют спектральное уплотнение и мультиплексное разделение длины волны, когда несколько мультиплексных потоков данных посылаются по одному каналу, но каждый поток на своей длине волны.
Одномодовое волокно отличается достаточно малым внешним диаметром сердечника — около 8 мкм. Такое волокно позволяет распространять через себя один единственный луч конкретной частоты, соответствующей характеристикам данного волокна. Когда луч идет один, исчезает проблема межмодовой дисперсии, в результате повышается производительность линии.
Плотность распределения материала может быть градиентной или ступенчатой. Градиентное распределение позволяет добиться более высокой производительности. Одномодовая технология тоньше и дороже многомодовой, но именно одномодовая технология применяется в настоящее время в телекоммуникациях.
Многомодовое волокно позволяет одновременно распространять несколько лучей, вводимых в него для передачи под разными углами. Диаметр сердцевины обычно составляет 50 или 62,5 мкм, так что ввод оптического излучения облегчается. Стоимость приемо-передатчиков ниже чем для одномодовых.
Именно многомодовое оптоволокно хорошо подходит для небольших домашних и локальных сетей. Явление межмодовой дисперсии считается главным недостатком многомодового оптоволокна, так что для снижения этого вредного явления специально были разработаны волокна с градиентным показателем преломления, чтобы лучи распространялись по параболическим траекториям, и разность их оптических путей была меньше. Так или иначе, пропускная способность у одномодовой технологии все равно остается выше.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Как работает оптоволокно
Пока вы читаете эти строки, терабайты данных курсируют по всему миру, запертые в стеклянных нитях, протянутых по дну океана. Напоминает магию, но это всего лишь продвинутая технология. Оптическое волокно — технология, которой, человечество обязано естествоиспытателям XIX века. Наблюдая за лучами света на поверхности пруда, они предположили, что светом можно управлять, но претворить в жизнь ту гениальную идею удалось только совсем недавно с появлением сложнейших заводов и тщательным изучением оптических свойств материалов.
Подписывайтесь на наш Телеграм
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.
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
Материалы не столь уж важны. В физических опытах для детей, демонстрирующих этот эффект, часто используют воду и прозрачную пластмассовую трубку. Больше чем на пару метров в таком световоде световой луч не передать, но смотрится это красиво. По той же причине светильники и прочие декоративные изделия часто имеют в своей конструкции световоды из пластмасс. Но когда речь заходит о передаче информации на многие километры, требуются особые, сверхчистые материалы, с минимумом примесей и оптическими свойствами, близкими к идеальным.
В 1934 году американец Норман Р. Френч запатентовал стеклянный световод, который должен был обеспечить телефонную связь, но он толком не работал. Потребовалась масса времени, чтобы найти материал, который бы отвечал высочайшим требованиям к чистоте и прозрачности, изобрести оптическое волокно из диоксида кремния — чистейшего кварцевого стекла. Чтобы создать в прозрачном кремнии разность коэффициентов преломления, прибегают к хитрости. Центр прозрачной болванки, которая превратится в провод, оставляют чистым, в то время, как внешние слои насыщают германием — он изменяет оптические характеристики стекла.
В таком случае, болванку обычно спекают из двух заранее приготовленных стеклянных трубок, вставленных одна в другую. Но можно поступить и наоборот, насытив сердцевину стекловолокна германием. Более технологичным и высококачественным стекловолокно получается, когда стеклянные трубки наполняют изнутри газом и ждут, пока германий сам осядет на стекло тончайшим слоем. Затем трубку разогревают и растягивают до метровой длины. При этом полость внутри закрывается сама.
Получившийся стержень имеет сердцевину с одним коэффициентом преломления и оболочку с другими оптическими параметрами. Он то и послужит для изготовления оптического волокна. Пока тяжелая заготовка толщиной в руку ничем не напоминает провод, но кварцевое стекло хорошо растягивается.
Подготовленную болванку поднимают на высоту десятиметровой башни, закрепляют на вершине и равномерно нагревают до пор, пока по консистенции она не будет напоминать нугу. Тогда из стеклянной болванки под собственным весом начинает тянуться тончайшая нить. По пути вниз она остывает и приобретает гибкость. Это может показаться странным, но сверхтонкое стекло прекрасно гнется.
Готовое оптическое волокно, непрерывно поступающее вниз, окунают в ванну с жидким пластиком, образующим защитный слой на поверхности кварца, а затем сматывают. Так продолжается до тех пор, пока заготовка на вершине башни не будет полностью переработана в единую нить из сотни-другой километров оптического волокна.
Из него, в свою очередь, будут сплетены кабели, содержащие от пары, до пары сотен отдельных стеклянных волокон, упрочняющие вставки, экранирующие слои и защитные оболочки.
- Осевой стержень.
- Оптическое волокно.
- Пластиковая защита оптических волокон.
- Пленка с гидрофобным гелем.
- Полиэтиленовая оболочка.
- Армирование.
- Внешняя полиэтиленовая оболочка.
Связь со скоростью света
Описанный процесс сложен, трудозатратен, требует постройки заводов и специального обучения от их персонала, и, тем не менее, игра стоит свеч. Ведь скорость света — это непреодолимый предел, максимальная скорость, с которой информация может распространяться в принципе. Соперничать с оптическим волокном в скорости передачи информации могут, разве что, линии прямой оптической связи, но никак не медные проводники, на какие бы ухищрения не шли их создатели. Сравнения демонстрируют превосходство оптического волокна над остальными средствами передачи информации лучше всего.
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.
Оптические кабели соединяют континенты, города и датацентры. В России первая такая линия, появилась в Москве. Первый подводный оптический кабель пролег между Санкт-Петербургом и датским Аберслундом. Затем оптоволокно протянулось между предприятиями, государственными учреждениями и банками. В крупных городах получила распространение схема, при которой оптические линии связи доводят до отдельных многоквартирных домов, и, тем не менее, для рядового потребителя оптическое волокно все еще остается экзотикой. Нам бы было интересно узнать, как много наших читателей использует его дома, потому что, по большинству квартир по-прежнему тянется старая-добрая витая пара.
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.
Такие системы требуют обученных специалистов для обслуживания и постоянного присмотра, так что экономическая выгода от прокладки индивидуальных оптических линий для конкретных абонентов остается сомнительной в большинстве стран мира. И все же, все мы используем стекловолокно для передачи сообщений. Весь современный интернет базируется на этой технологии и именно благодаря ей стали возможны интернет трансляции в сверхвысоком разрешении, видеостриминг, онлайн игры с минимальной задержкой, мгновенная связь с практически любой точкой планеты и даже мобильный интернет. Да, базовые станции сотовой связи также связывает стекловолокно.
Несмотря на то, что ученые ищут новые пути построения коммуникационных сетей, мы не получим ничего более практичного еще очень долго. Экспериментальные технологии позволяют поднять информационную емкость стекловолокна в два-три раза, все более толстые многожильные стеклянные кабели ложатся на морское дно между континентами, однако принципиальные ограничения, накладываемые скоростью света, запертого в кварцевой жиле, преодолеть вряд ли удастся. Выходом видится отказ от кварца и связанных с ним ограничений, передача информации с помощью лазеров, но она возможна только по прямой. Следовательно, передатчики придется разместить в космосе или хотя бы в верхних слоях атмосферы. Подобные эксперименты в последние годы привлекли внимание крупнейших корпораций, но это уже совсем другая история.