Оптоволокно: что это, принцип работы, типы и применение

Введение

Современный мир невозможно представить без скоростного интернета. Основу этой глобальной сети составляют оптоволоконные линии связи.

Оптоволокно совершило настоящую революцию в мире передачи информации. Оно способно передавать терабайты информации за доли секунд на колоссальные расстояния. Давайте разберемся, как же устроен и работает оптоволоконный кабель.

Что такое оптоволокно?

Главной составляющей оптического волокна является тонкая нить, сделанная из сверхчистого кварцевого стекла. Главной задачей является эффективная передача информации в виде светового сигнала, на максимальное расстояние с минимальными потерями.

Из чего состоит оптоволокно?

Оптическое волокно состоит из:

• сердцевины, которое является световодом;
• оболочки из специального покрытия для внутреннего отражения и механической защиты сердцевины;
• внешней оболочки для верной геометрии кабеля, механической защиты сердечника и оболочки от химикатов, влаги и других воздействий.

Как работает оптоволокно? Физический принцип

Принцип работы основан на простом физическом законе. С помощью лазерного диода, в SFP-модуле, электрический сигнал от сетевого устройства преобразуется в световое излучение.

Свет, попадая в сердцевину, распространяется по ней и достигает фотоприемника (фотодиода) в приемном SFP-модуле. Фотодиод преобразует световые импульсы обратно в электрические сигналы, которые затем усиливаются и поступают на сетевое устройство.

Для того чтобы сигнал передавался на многие километры без потерь, весь процесс основан на явлении полного внутреннего отражения.

Полное внутреннее отражение

Световод и оболочка имеют разную плотность и показатель сердцевины всегда выше. Благодаря этому световой луч попадая под определенным углом в световод, достигает оболочки и полностью отражается от нее.

Этот процесс повторяется тысячи раз в секунду. Таким образом, луч постоянно отражается от стенок оболочки и двигается на другую сторону световода по зигзагообразной траектории. Именно этот принцип лежит в основе передачи информации в оптическом волокне.

Типы и виды оптического волокна

Наиболее распространены два основных типа оптического волокна, различающихся между собой внутренним диаметром сердцевины и методом распространения света.

Многомодовое волокно (Multi-mode Fiber)

Многомодовое волокно имеет такое название из-за того, что может пропускать через себя множество мод (лучей), по нескольким направлениям. Такое волокно имеет сердцевину 50 или 62.5 мкм.

Так как моды проходят разный путь возникает дисперсия, что приводит к искажению сигнала и снижению качества передачи данных. Поэтому многомодовое волокно применяют на короткие дистанции (обычно до 200 метров) в ЦОДах и локальных сетях.

Благодаря коротким расстояниям, малой оптической мощности и дешевизне многомодовых SFP-модулей, данным волокном соединяют кроссы, маршрутизаторы, коммутаторы и другие сетевые устройства расположенные на небольших дистанциях друг от друга.

Одномодовое волокно (Single-mode Fiber)

Одномодовое волокно имеет такое название из-за того, что пропускает через себя только одну моду. Такое волокно имеет меньшую сердцевину, чем многомодовое – около 9 мкм.

Так как мода проходит один путь, это исключает дисперсию. Сигнал практически не отражается, не искажается и может передаваться на большие расстояния без снижения качества.

Данный вид волокна широко используется в межкампусных соединениях, магистральных линиях связи и телефонии. Оно обеспечивает максимальную дальность, но и стоимость SFP-модулей и другого оборудования для одномода выше.

Одномодовое vs Многомодовое волокно

Вот наглядное сравнение данных типов волокон:

Стандарты оптических волокон

Существуют международные стандарты, регулирующие параметры оптоволокна. Для одномодовых волокон это ITU-TG.652 - 657, для многомодовых – IEC 60793-2-10.

На практике наибольшее значение имеют их подклассы (спецификации) для данных типов волокон.

Для одномодового волокна существует всего два подкласса:

•  OS1 соответствует ранним стандартам – G.652 A и B. Такие кабели применялись только внутри помещений и не предназначались для наружной прокладки;
• OS2 соответствует современным стандартам – G.652.C, G.652.D и G.657.A1/A2. Такие кабели, в зависимости от стандарта, имеют увеличенные дальности, низкое затухание, применяются в DWDM и CWDM системах, а также используются для наружной и подводной прокладки.

Для многомодового волокна существуют пять подклассов:

• ОМ1 (50 или 62,5 мкм) считается устаревшим и не применяется в современных сетях и работал только с 1 и 10 Гбит/с на коротких расстояниях;
• ОМ2 (50 мкм) заменил собой ОМ1, но работает также только с 1 и 10 Гбит/с, но на чуть большем расстоянии;
• ОМ3 (50 мкм) подходит для 40/100 Гбит/с и обеспечивает большее расстояние, чем ОМ2;
• ОМ4 (50 мкм) стал развитием OM3, увеличив дистанцию для 10 - 100 Гбит/с;
• ОМ5 (50 мкм) разрабатывался специально для стандарта SWDM4 (100  на дуплексных кабелях с LC разъемами) для качественной передачи сигнала на максимальное, для многомода, расстояние.

Эти стандарты и подклассы гарантируют совместимость подключаемого оборудования одного и иногда разных производителей.

Свойства и преимущества оптоволокна

Оптоволоконный кабель обладает набором уникальных свойств, делающих его доминирующей технологией:

• высокая пропускная способность, позволяющая передавать терабайты информации за секунды;
• низкое затухание для передачи на огромные расстояния без ретрансляции;
• защищенность от электромагнитных помех;
• сложность несанкционированного подключения к кабелю без повреждения основного канала;
• малый вес и размер по сравнению с медными аналогами.

Эти неоспоримые преимущества и объясняют повсеместное применение оптических линий связи.

Применение волоконной оптики

Сферы применения оптоволокна постоянно расширяются и в основном применяются в:

• телекоммуникациях междугородней и международной линии связи;
• ЦОДах и крупных серверных фермах, объединяя облачные сервера интернет инфраструктуры;
• локальных сетях, объединяя серверы и коммутаторы в обычных офисах;
• IP-телефонии, связывая собеседников через интернет;
• промышленности для систем автоматизации и контроля в реальном времени;

Многие интернет-провайдеры активно используют оптоволокно для подключения обычных квартир и частных домов в черте города и за его пределами.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Что такое оптический модуль (SFP) и зачем он нужен?

Ранее мы писали, что электрический сигнал преобразуется в световой с помощью SFP-модуля. Кратко расскажем что это такое и зачем он нужен.

SFP-модуль – это форм-фактор трансивера (transceiver). Трансиверы могут быть разных видов и размеров, поэтому имеют разные регламентированные форм-факторы.

Главной задачей SFP-модуля является преобразование электрического сигнала от сетевого устройства в световой. Без него коммутатор или маршрутизатор не может работать с волокном.

Чем отличается оптоволокно от витой пары?

Основное отличие – среда передачи. Волокно использует свет, а витая пара – электрический сигнал. Это дает оптоволокну преимущества в скорости, дальности и помехозащищенности. Витая пара дешевле на коротких дистанциях.

Какой кабель лучше для дома?<

Провайдеры используют две основные архитектуры подключения: FTTB и FTTH.

FTTB (Fiber to the Building) – оптика до здания.

Оптический кабель подключается к коммутатору доступа в подвале или на чердаке многоквартирного дома. Далее в каждую квартиру прокладывается витая пара.

Главный минус FTTB – необходимость размещать активное оборудование в сложнодоступных местах. В таком случае обслуживание будет затруднено, а клиенты потеряют доступ к сервисам.

FTTH (Fiber to the Home) – оптика до квартиры.

Оптический кабель заводится непосредственно в квартиру. В подъезде устанавливаются только пассивные оптические делители (сплиттеры). В квартире устанавливается ONT-терминал (оптический модем), который преобразует сигнал для подключения роутера.

В схеме FTTH между клиентом и оператором нет промежуточных активных узлов, только пассивный оптический кабель, который более надежен, помехоустойчив и не требует обслуживания.

Если есть выбор – отдайте предпочтение FTTH. Если провайдер не предоставляет оптику, но вам она необходима, можно установить медиаконвертер для преобразования сигнала из витой пары.