Волоконно-оптические линии связи: классификация, особенности и применимость компонентов

Привет! На связи Роман Михайлов, системный инженер в Selectel. Помните медленные пищащие модемы? А как приходилось ждать загрузки видео целую вечность? Вся цифровая индустрия преобразилась благодаря оптическим волокнам. Рассказываем про еще одну технологию, без которой не было бы ни стриминга, ни видеозвонков, ни даже нормального онлайн-банкинга. Посмотрим на типы, характеристики и совместимость современных волокон и трансиверов.

Немного истории

XX столетие — это еще и период бурного развития коммуникаций. Телеграф преобразился в витую пару, а радио — в мобильные сети. История становления волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) начинается с середины прошлого века. Появилась теория, которая объясняла природу полного внутреннего отражения. Именно тогда ученые задумались об использования света для передачи информации и начали проводить исследования. Так, уже в 1950‑х годах появились первые концепции применения стеклянных волокон для изготовления световодов. Однако качество тогда было низким, а значительные потери препятствовали практическому применению технологии.

Прорыв произошел в 1960‑х годах, когда исследователи из Corning Glass Works создали материал с удовлетворительными характеристиками. Были разработаны методы изготовления стекла с высокой однородностью и чистотой. Уровень потерь оказался достаточно низким, чтобы передавать свет на значительные расстояния. Параллельно в лабораториях Bell Telephone были спроектированы полупроводниковые лазеры с требуемыми характеристиками.

Первые экспериментальные ВОЛС были проложены в 1970‑х. Спустя 10 лет технология получила широкое признание, и телекоммуникационные сети начали внедрять ее повсеместно. С тех пор качество волокон и лазеров постоянно улучшается, а скорость пересылки данных неизменно растет. Сегодня ВОЛС — основа телекоммуникационной индустрии. Именно оптические волокна обеспечивают высокую пропускную способность и надежность передачи на огромные расстояния. Интернет, телефония, кабельное телевидение и множество сетей связи по всему миру — все работают благодаря технологии, о которой мы сегодня кратко расскажем.

Основной принцип

Главный принцип волоконно-оптических линий отражен в названии — передача информации посредством волн света в некотором волокне. Любой оптический канал связи состоит из двух основных компонентов: самого волокна и трансивера.

Волокно представляет среду для передачи сигнала от одного трансивера к другому. Оно состоит из стекловидной сердцевины, оболочки с меньшим показателем преломления, а также защитного слоя, который защищает волокно от механических повреждений.

Трансивер — приемопередающее устройство, которое преобразует электрические сигналы в оптические для передачи по оптоволокну. Он же выполняет и обратное преобразование: из полученного светового потока реконструирует электрические колебания.

Оптоволокно

Волокна принято делить на две большие категории: Single Mode и Multi Mode. Принципиальная разница между ними — в диаметре сердцевины и использовании разных длин волн света. В Single Mode он составляет около 7−9 мкм, в Multi Mode — 50−62,5 мкм. Длина волны, применяемой для Single Mode, — 1 310−1 550 нм, а для Multi Mode — 850−1300 нм. Необходимость в разделении оптоволокна на две большие категории обусловлена отличающимися направлениями использования.

Многомодовое волокно (Multi Mode) дешевле в использовании, предъявляет меньшие требования к оборудованию, но зато имеет куда бо́льшие потери сигнала в сравнении с Single Mode. По этой причине данный тип волокна часто применяют для прокладки соединений внутри одного здания..

Одномодовое же волокно (Single Mode), наоборот, обладает бо́льшим потенциалом в скорости обмена данными, имеет намного меньшие потери сигнала, отлично подходит для передачи на далекие расстояния в десятки и сотни километров. При этом оно требует для работы дорогостоящего оборудования, что делает его эксплуатацию значительно дороже.

Также существует несколько категорий для SM- и MM‑волокон. Каждая из них имеет свои параметры пропускной способности и предназначена для разных источников сигнала.

Виды и стандарты 

Существует пять классификаций многомодового волокна (OM означает Optical Multimode).

Примечания к таблице. Полоса пропускания измеряется на длине волны 850 нм. Исключение — OM5, где для этой цели используются несколько величин в диапазоне 850−953 нм.

Различные типы одномодового волокна также имеют свои особенности и области применения. Их классификация следующая.

OS1 определяется стандартом ITU-T G.652 и предназначался для использования внутри помещений — например, в зданиях или между этажами. Устаревший тип оптоволокна. Он характеризуется низким затуханием на длинах волн 1 310 нм и 1 550 нм, но не оптимизирован для работы с высокой мощностью и передачей на большие расстояния.

OS2 также определяется стандартом ITU-T G.652, но обладает улучшенными характеристиками. Рассматриваемый тип оптоволокна предназначен для использования вне помещений — например, для прокладки между зданиями или для магистральных линий связи. При этом имеет еще более низкое затухание, чем OS1, особенно на длине волны 1 550 нм. Оптимизирован для передачи на большие расстояния, а также для использования с системами DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing — плотное волновое мультиплексирование). OS2 часто применяется в магистральных сетях связи, подводных кабелях и других приложениях, требующих передачи на большие расстояния.

Скажем несколько слов о стандартах, которые используются для классификации одномодовых волокон.

G.652 (Standard Single Mode Fiber) — самый общий из них. Он включает в себя требования к OS1 и OS2, а также дополнительные подтипы (A, B, C, D), каждый из которых имеет свои особенности по параметрам дисперсии. G.652 — самый распространенный тип одномодового волокна. Его подтипы G.652.A и G.652.B оптимизированы для работы в диапазоне 1 310 нм. Подтипы G.652.C и G.652.D имеют подавленную водяную пику (снижение потерь на длине волны 1 383 нм) и могут эффективно работать в диапазоне 1 310−1 625 нм.

Существуют и особые версии оптоволокна для специфических нужд.

G.657 описывает одномодовое волокно, устойчивое к изгибам. Оно разработано для облегчения прокладки в условиях ограниченного пространства, где может складываться в петли — например, внутри зданий или в кабель-каналах. Также существует несколько подтипов G.657, отличающихся допустимым радиусом дуги, при котором потеря сигнала остается приемлемой.

G.655 описывает одномодовое волокно со смещенной дисперсией, которая смещена в область 1 550 нм, что делает его оптимальным для передачи на большие расстояния с использованием систем DWDM.

Окна прозрачности

Вы могли заметить, что в характеристиках оптоволокна с особой тщательностью отмечается длина используемой волны света. Насколько важен этот параметр и почему среди применяемых величин встречаются только определенные значения?

В результате экспериментов было обнаружено, что световые волны одной длины затухают меньше, чем другие. На основе этого открытия для оптоволокна была создана таблица «окон прозрачности», которая выделяет три базовых диапазона длин волн с минимальным затуханием: 850, 1 350 и 1 550 нм.

Каждая длина волны оптимизирована для конкретных условий передачи.

Самая короткая из них, 850 нм, преимущественно применяется в многомодовом волокне для обмена данными на небольшие расстояния, например, внутри зданий. Несмотря на относительно высокое затухание сигнала, эта длина волны привлекательна благодаря доступности и низкой стоимости источников света, таких как VCSEL.

Промежуточная 1 310 нм, широко используется в одномодовом волокне для передачи на средние и большие расстояния. Она обеспечивает минимальную хроматическую дисперсию в стандартном одномодовом волокне, что способствует сохранению качества сигнала на значительных дистанциях.

Самая длинная из рассматриваемых волн, 1 550 нм оптимальна для передачи на большие расстояния. Затухание сигнала минимально, что идеально подходит для магистральных линий связи и подводных кабелей. Она также активно применяется в системах DWDM, где необходимо передавать большое количество каналов на одном волокне.

Понятие модовости

Мода — это теоретический путь, по которому движется частица света в оптоволокне.

Внутри оптоволоконного кабеля световой сигнал может распространяться различными путями: как прямо, так и зигзагообразно, отражаясь от стенок волокна. Из-за этого расстояния, которые проходят отдельные фотоны, оказываются неодинаковыми. Вспышки достигают конца в разное время, из‑за чего сигнал делается размытым, нечетким. Это явление получило название модовой дисперсии. 

Для устранения негативных особенностей распространения света вдоль волокна используется технология градиентного профиля показателя преломления сердцевины — он плавно уменьшается от центра к краю. Это позволяет компенсировать разницу в длине путей, проходимых различными модами, и уменьшить модовую дисперсию. Градиентный профиль применяется в случаях, когда требуется передать сигнал по многомодовому волокну на значительное расстояние, но где использование одномодового по каким-либо причинам нецелесообразно.

Есть еще одна негативная особенность многомодовых волокон. Зигзагообразное движение света приводит ослаблению сигнала — ведь при каждом отражении часть энергии теряется, рассеиваясь в оболочке. Чем меньше возможных путей распространения света в волокне, тем слабее выражены искажения и потери.

Соединения

Помимо характеристик самого оптоволокна, на качество сигнала влияет и обработка его торцов. При стыковке двух отрезков волокна неизбежно возникают потери из-за воздушной прослойки между ними, а также эффекта самоотражения сигнала обратно. Чтобы минимизировать эти негативные явления, концы волокон шлифуют специальным образом. Существует несколько основных технологий полировки (PC, UPC, APC и SPC), которые обеспечивают плотное соприкосновение волокон и снижают потери сигнала. Рассмотрим их подробнее.

PC (Physical Contact, физический контакт) — это самый простой и старый тип полировки. Торец волокна полируется сферически, обеспечивая соприкосновение. Однако у PC‑полировки относительно высокие обратные потери (отражение сигнала). 

SPC (Super Physical Contact, сверхфизический контакт) — улучшенная версия PC‑полировки с более гладкой поверхностью и меньшими обратными потерями. 

UPC (Ultra Physical Contact, ультрафизический контакт) — дальнейшее усовершенствование PC‑полировки. UPC еще ощутимее снижает обратные потери за счет тщательной обработки поверхности торца и более точной его геометрии. Именно эта технология широко используется в современных ВОЛС. 

APC (Angled Physical Contact, угловой физический контакт) — вид полировки, который, в отличие от предыдущих, выполняется под углом (обычно 8°). Это приводит к тому, что отраженный сигнал направляется в оболочку волокна и практически не возвращается снова к источнику. Такой вид обработки обеспечивает самые низкие обратные потери, а потому используется в приложениях, критичных к отражениям, таких как CATV и аналоговые системы передачи.

Коннекторы

Помимо различных вариантов стыковки непосредственно самого волокна, существует еще несколько видов коннекторов для подключения его к оборудованию. Их достаточно много, какие-то уже устарели, какие-то используются для специфических условий — например, где необходима высокая защита от загрязнений. В настоящее время самые распространенные типы коннекторов — это LC, FC, SC и ST.

FC (Fiber Connector) был одним из первых разработанных типов. У него резьбовое соединение, которое обеспечивает надежную фиксацию. Чаще всего применяется с одномодовым волокном. Из-за сложности установки и обслуживания, использование этого коннектора в современных сетях ограничено. К преимуществам относят высокую точность соединения и устойчивость к вибрациям, а к недостаткам — сложность установки и дороговизну.

ST (Straight Tip), разработанный компанией AT&T, отличается байонетным соединением, что позволяет быстро и просто подключать его. В основном используется с многомодовым волокном. Однако на данный момент ST уступает в популярности коннекторам SC и LC. Его достоинствам считается простота установки, а недостатком — меньшая точность соединения по сравнению с FC и чувствительность к вибрациям.

SC (Subscriber Connector или Standard Connector) — широко распространенный тип коннектора с защелкивающимся соединением, которое гарантирует простое и надежное подключение. Он используется с одномодовым и многомодовым волокном и является одним из самых популярных коннекторов в современных сетях. К его преимуществам относят простоту установки, надежность соединения и низкую стоимость, а к недостаткам — относительно большие размеры.

LC (Lucent Connector или Little Connector) — миниатюрный коннектор, разработанный компанией Lucent Technologies, теперь — Nokia. У него защелкивающееся соединение, а сам он также используется с одно‑ и многомодовым волокном. Благодаря компактным размерам, низким потерям и высокой плотности портов LC получил широкое распространение, особенно в телекоммуникационном оборудовании и ЦОД. Среди недостатков — немалая цена по сравнению с SC.

Трансиверы 

Виды и устройства 

Трансивер в контексте ВОЛС — это устройство, которое преобразует электрические сигналы в оптические и обратно. Наиболее распространенная конфигурация трансивера включает два оптических порта: передатчик (Tx) и приемник (Rx). Такая конструкция предназначена для работы с дуплексным волокном, где для приема и передачи сигнала используется пара волокон с одной согласованной длиной волны.

Существует также вариант трансивера с одним оптическим портом, способным как отправлять, так и принимать сигнал. В этом случае применяется симплексное, то есть одноволоконное соединение. Для двунаправленной передачи по одному волокну применяется технология спектрального уплотнения каналов (WDM), где для каждого направления — своя длина волны. В трансиверах, поддерживающих такую функцию, используется модуль WDM-мультиплексора, известный также как BOSA (Bidirectional Optical Sub-Assemblies).

Оптический трансивер состоит из нескольких компонентов, расположенных на печатной плате:

• лазерное передающее устройство (излучатель),
• приемник на основе фотоэлемента,
• преобразователи сигналов,
• модулятор и демодулятор,
• усилители,
• чип памяти ПЗУ,
• схема термостабилизации.

На данный момент используется несколько видов излучателей (лазеров):

• FP (Fabry-Perot) — характеризуется средней мощностью, широким спектром, низкой ценой;
• VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) — построен на основе вертикального объемного резонатора, имеет более узкий спектр и низкую цену;
• DFB (Distributed Feed Back) — отличаются повышенными мощностными параметрами с минимумом спектральных составляющих, так как имеет распределенную обратную связь;
• EML (Electroabsorption Modulated Laser) — более дорогостоящее решение с внешним модулятором, которое обеспечивает скорость до 100 Гбит/с на дальности до 80 км; находит применение в системах DWDM.

Приемные устройства представляют собой фотодиоды и подразделяются на два основных вида:

• PIN — популярен благодаря простоте конструкции, надежности и минимальной стоимости;
• APD (лавинные) — отличается высоким коэффициентом усиления, а также быстродествием, что позволяет уверенно принимать сигнал на большом расстоянии и поддерживать высокоскоростной трафик свыше 10 Гбит/с.

Стандарты и форм‑факторы

За всю историю ВОЛС было разработано большое количество стандартов и форм-факторов трансиверов. В наши дни самые востребованные — трансиверы формата SFP (Small Form-factor Pluggable).

Как видно из таблицы, некоторые модули обратно совместимы с младшими моделями. Это позволяет, например, подключать SFP 1G в активное сетевое оборудование, предназначенное для SFP+ 10G.

Дальность передачи

Помимо различий в размерах и скорости, трансиверы также характеризуются вариативностью дальности передачи сигнала. Важно подбирать трансиверы, соответствующие расстоянию волоконно-оптической линии связи (ВОЛС), так как использование передатчика, рассчитанного на 40 километров, для посылки сигнала на сотню шагов может привести к повреждению фотоэлемента приемного трансивера из-за избыточной мощности излучателя. Хотя, конечно, в отдельных случаях, можно уменьшить интенсивность оптического сигнала, используя аттенюатор.

Принята следующая классификация SFP-модулей для волоконно-оптических кабелей по дальности передаваемого сигнала.

• SR (Short Range) — до 300 м на длине волны 850 нм. Подобные трансиверы используются для локальных соединений в пределах здания. Это недорогой (за счет излучателя) и очень популярный формат.
• LRM (Long Range Multimode) — до 220 м на длине волны 1 310 нм. Такие трансиверы предназначены для работы с многомодовым волокном.
• LR (Long Range) — до 10 км на длине волны 1 310 нм. Такие трансиверы служат для соединений между зданиями или в пределах города. Они работают с одномодовым волокном и обеспечивают стабильную передачу на относительно большие расстояния.
• ER (Extended Range) — до 40 км на длине волны 1 550 нм. Эти трансиверы предназначены для работы с одномодовым волокном и используются в сетях, где требуется преодолевать значительные расстояния — например, между городами или в крупных корпоративных сетях.
• ZR (Extended Range) — дальность передачи до 80 км на длине волны 1 550 нм. Эти трансиверы самые мощные, а потому используются для сверхдальних соединений. Предназначены для магистральных сетей и связи между удаленными объектами. Требуют более сложного оборудования и имеют высокую стоимость.

Волновое уплотнение (мультиплексирование) оптических сигналов связи WDM, CWDM, DWDM

Технология WDM (Wavelength Division Multiplexing, спектральное уплотнение каналов) позволяет передавать по одному оптоволокну несколько независимых световых сигналов, используя различные длины волн для каждого.

Для формирования сигнала необходимой длины волны в трансиверах устанавливаются транспондеры. Эти устройства принимают оптический сигнал, преобразуют его и выдают на выходе сигнал с заданной длиной волны. После этого мультиплексор объединяет все полученные сигналы в единый световой поток для передачи по волокну. На приемной стороне процесс происходит в обратном порядке: принятый сигнал разделяется на отдельные каналы с помощью демультиплексора.

В настоящее время используется три основных вида технологии спектрального уплотнения.

Простейшая из них — WDM (Wavelength Division Multiplexing), которая позволяет передавать два независимых световых сигнала с длиной волн 1 310 и 1 550 нм. Используется для двунаправленной связи по одному волокну, однако может применяться и для увеличения пропускной способности существующего соединения.

CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) стала улучшенной версией WDM. С ее помощью можно разделить световой сигнал уже на 18 каналов в диапазоне от 1 270 до 1 610 нм с шагом 20 нм.

Современная и широко используемая технология спектрального уплотнения — DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Расстояние между несущими волнами составляет в основном 50, 100 Гц (0,8−0,4 нм). Количество каналов в одном волокне — 48−96.

DWDM обеспечивает высокую пропускную способность и применяется в магистральных сетях, где передача идет на большие расстояния и потери должны быть минимальны. Благодаря высокой плотности каналов DWDM эффективно использует ресурсы оптоволокна.

DAC и AOC кабели

Наряду с традиционной схемой подключения волоконно-оптической линии связи (ВОЛС), где используются раздельные трансиверы и оптоволокно, существуют кабели с интегрированными трансиверами на концах. Эти решения, известные как DAC‑ и AOC‑кабели, применяются преимущественно для организации локальных соединений внутри телекоммуникационных стоек или машинных залов.

DAC (Direct Attach Copper Cable, кабель прямого медного подключения) — твинаксиальный кабель, оконеченный электрическими трансиверами форм-факторов SFP+, XFP, SFP28, QSFP и CFPn. Он предназначен для локального двунаправленного обмена. Да, это не оптоволоконное соединение и здесь мы ненадолго отходим от темы статьи.Однако оно играет важную роль в телекоммуникациях. Твинаксиальный кабель — разновидность коаксиального с двумя параллельными проводниками, заключенными в общий экран. DAC‑кабели экономичны и устойчивы к внешним воздействиям, поэтому часто выигрывают у коротких съемных оптических линий.

В зависимости от длины, DAC кабели делятся на пассивные и активные.

Пассивные DAC-кабели — твинаксиальные кабели с электрическими трансиверами на концах, ограничены максимальной длиной 7 м для соединений со скоростью 10 Гбит/с. Зачастую производители устанавливают лимит в 3 м, для гарантии стабильной работы.

Активные DAC-кабели, в отличие от пассивных, содержат дополнительные электронные компоненты на печатной плате трансиверов. Это позволяет увеличить максимальную длину кабеля до 12 метров для соединений 10 Гбит/с.

Важной характеристикой DAC-кабелей является диаметр токопроводящей жилы, измеряемый в единицах AWG (American Wire Gauge). Этот параметр напрямую влияет на максимальную длину кабеля: с увеличением диаметра жилы растет и допустимая длина. Однако рост диаметра жилы приводит к увеличению поперечника кабеля, что, в свою очередь, ограничивает радиус изгиба.

Существует также специфическая конфигурация DAC-кабеля, называемая Breakout. В ней высокоскоростной поток данных разделяется на несколько с меньшей скоростью — например, на четыре. В этом примере интерфейсы могут быть сконфигурированы как отдельные логические интерфейсы, так и в режиме агрегации.

AOC (Active Optical Cable, активный оптический кабель) — это многомодовый волоконный кабель с жестко закрепленными оптическими трансиверами на концах. В зависимости от них имеет одну или четыре пары волокон для приема и передачи информации.

AOC‑кабели с одной парой волокон называются двухволоконными и рассчитаны для работу на скорости 10 Гбит/с. Соответственно, по первому волокну идет прием сигнала, по второму — передача. Формат используемых трансиверов — SFP+.

AOC‑кабели с четырьмя парами волокон называются ленточными и рассчитаны для работы на скорости 40 и 100 Гбит/c. Принцип передачи точно такой же, как в двухволоконном кабеле, только здесь уже используются четыре канала. Форматы используемых трансиверов: QSFP+, QSFP28 и другие.

Данные кабели используются как альтернатива DAC‑кабелям и ВОЛС с отдельным трансивером. Разница со вторыми только в том, что здесь волокно соединено не посредством коннекторов (LC, FC и им подобных), а вклеено напрямую в излучатель и фотоприемник. Такой подход способствует более надежному соединению, а также защищает от загрязнений на торцах волокна с портом трансивера.

Надо заметить, что прокладывать кроссировки, используя AOC‑кабели, не так удобно, как «классические» оптические линии связи. Ширина трансиверов значительно превышает диаметр самого волокна. Поскольку конструкция неразделима, то такой кабель очень проблематично провести через плотно заполненную структурированную кабельную систему (СКС). Именно поэтому AOC используют преимущественно в очень локальных кроссировках внутри серверных, телекоммуникационных стоек или между ними. Длина же AOC‑кабелей может достигать и 400 метров — в зависимости от конфигурации.

Как видно из таблицы, для AOC‑кабелей тоже существует конфигурация Breakout, которая работает аналогично DAC‑исполнению, где одно оптоволокно «разбивается» на несколько потоков — например, QSFP+ 40 Гбит/с на четыре SFP+ 10 Гбит/с.

Заключение

ВоВолоконно-оптические линии связи произвели настоящую революцию в мире телекоммуникаций. Их беспрецедентные характеристики дали импульс развития всей цифровой инфраструктуре. Интернет, локальные сети, облачные сервисы и множество других жизненно важных технологий сегодня немыслимы без ВОЛС.

Преимущества ВОЛС — в их выдающихся характеристиках:

• благодаря высокой пропускной способности можно передавать огромные объемы информации, что критически важно для современных приложений;
• сигнал в оптоволокне затухает значительно меньше, чем в медном кабеле, что позволяет преодолевать большие расстояния без необходимости установки дополнительных усилителей;
• безразличность к электромагнитным помехам обеспечивает стабильную и качественную передачу;
• в оптоволокне сложнее перехватить данные, что повышает защищенность передаваемой информации.
• Будет нечестно не упомянуть и о некоторых недостатках ВОЛС: 
• хрупкость оптоволокна требует внимательности при монтаже: необходимо соблюдать допустимый радиус изгиба, предохранять кабель от случайных механических воздействий;
• подверженность загрязнению пылью накладывает дополнительные ограничения на условия эксплуатации;
• ограниченный температурный диапазон работы также несколько ограничивает сферу их применения.

Технология ВОЛС продолжает развиваться, перспективы выглядят многообещающе. Ведутся исследования по увеличению пропускной способности, разработке новых материалов для оптоволокна и совершенствованию методов передачи. Мультиплексирование и квантовые коммуникации принесут еще большее увеличение скорости и объемов данных.

Тема ВОЛС обширна, существует множество тонкостей и подводных камней. Мы коснулись лишь самых основ, чтобы познакомить начинающих специалистов с миром оптоволокна. Множественные интересные технические аспекты объять в рамках статьи невозможно — до них, так или иначе, придется доискиваться самостоятельно. Надеюсь, что этот обзор станет хорошим ориентиром для путешествия в мир волокон, лазеров и высоких скоростей.