Оптоволоконні кабелі

Оптоволоконний (він же волоконно-оптичний) кабель – це принципово інший тип кабелю в порівнянні з розглянутими двома типами електричного або мідного кабелю. Інформація з нього передається не електричним сигналом, а світловим. Головний його елемент - це прозоре скловолокно, по якому світло проходить на величезні відстані (до десятків кілометрів) з незначним ослабленням.

Рис. 4.4.  Структура оптоволоконного кабелю

Структура оптоволоконного кабелю дуже проста й схожа на структуру коаксіального електричного кабелю (мал. 4.4). Тільки замість центрального мідного проведення тут використовується тонке (діаметром близько 1 - 10 напівтемних) скловолокно (3), а замість внутрішньої ізоляції - скляна або пластикова оболонка (2), що не дозволяє світлу виходити за межі скловолокна. У цьому випадку мова йде про режим так званого повного внутрішнього відбиття світла від границі двох речовин з різними коефіцієнтами переломлення (у скляної оболонки коефіцієнт переломлення значно нижче, ніж у центрального волокна). Металева обплетення кабелю звичайно відсутньо, тому що екранування від зовнішніх електромагнітних перешкод тут не потрібно. Однак іноді її все-таки застосовують для механічного захисту від навколишнього середовища (такий кабель іноді називають броньовим, він може поєднувати під одною оболонкою декілька оптоволоконних кабелів).

Оптоволоконний кабель має виняткові характеристики по перешкодозахищеності й таємності переданої інформації. Ніякі зовнішні електромагнітні перешкоди в принципі не здатні спотворити світловий сигнал, а сам сигнал не породжує зовнішніх електромагнітних випромінювань. Підключитися до цього типу кабелю для несанкціонованого прослуховування мережі практично неможливо, тому що при цьому порушується цілісність кабелю. Теоретично можлива смуга пропущення такого кабелю досягає величини 10¹² Гц, тобто 1000 ГГц, що незрівнянно вище, ніж в електричних кабелів. Вартість оптоволоконного кабелю постійно знижується й зараз приблизно дорівнює вартості тонкого коаксіального кабелю.

Типова величина загасання сигналу в оптоволоконных кабелях на частотах, що використовуються у локальних мережах, становить від 5 до 20 дБ/км, що приблизно відповідає показникам електричних кабелів на низьких частотах. Але у випадку оптоволоконного кабелю при рості частоти переданого сигналу загасання збільшується дуже незначно, і на більших частотах (особливо понад 200 МГц) його перевагу перед електричним кабелем незаперечні, у нього просто немає конкурентів.

Однак оптоволоконний кабель має й деякі недоліки.

Самий головний з них - висока складність монтажу (при установці рознімань необхідна мікронна точність, від точності відколу скловолокна й ступеня його полірування сильно залежить загасання в розніманні). Для установки рознімань застосовують зварювання або склеювання за допомогою спеціального гелю, що має такий же коефіцієнт переломлення світла, що й скловолокно. У кожному разі для цього потрібна висока кваліфікація персоналу й спеціальні інструменти. Тому найчастіше оптоволоконний кабель продається у вигляді заздалегідь нарізаних шматків різної довжини, на обох кінцях яких уже встановлені рознімання потрібного типу. Варто пам'ятати, що неякісна установка рознімання різко знижує припустиму довжину кабелю, обумовленою загасанням.

Також треба пам'ятати, що використання оптоволоконного кабелю вимагає спеціальних оптичних приймачів і передавачів, що перетворять світлові сигнали в електричні й назад, що часом істотно збільшує вартість мережі в цілому.

Оптоволоконні кабелі допускають розгалуження сигналів (для цього виробляються спеціальні пасивні розгалужувачі (couplers) на 2—8 каналів), але, як правило, їх використовують для передачі даних тільки в одному напрямку між одним передавачем і одним приймачем. Адже будь-яке розгалуження неминуче сильно послабляє світловий сигнал, і якщо розгалужень буде багато, те світло може просто не дійти до кінця мережі. Крім того, у розгалужувачі є й внутрішні втрати, так що сумарна потужність сигналу на виході менше вхідної потужності.

Оптоволоконний кабель менш міцний і гнучкий, чим електричний. Типова величина припустимого радіуса вигину становить близько 10 - 20 см, при менших радіусах вигину центральне волокно може зламатися. Погано переносить кабель і механічне розтягання, а також роздавлюючи впливи.

Чутливий оптоволоконний кабель і до іонізуючих випромінювань, через які знижується прозорість скловолокна, тобто збільшується загасання сигналу. Різкі перепади температури також негативно позначаються на ньому, скловолокно може тріснути.

Застосовують оптоволоконний кабель тільки в мережах з топологією зірка й кільце. Ніяких проблем узгодження й заземлення в цьому випадку не існує. Кабель забезпечує ідеальну гальванічну розв'язку комп'ютерів мережі. У майбутньому цей тип кабелю, імовірно, витисне електричні кабелі або, у всякому разі, сильно потіснить їх. Запаси міді на планеті виснажуються, а сировини для виробництва скла цілком достатньо.

Існують два різних типи оптоволоконного кабелю:

1. многомодовий або мультімодовий кабель, більше дешевий, але менш якісний;
2. одномодовий кабель, більше дорогий, але має кращі характеристики в порівнянні з першим.

Суть розходження між цими двома типами зводиться до різних режимів проходження світлових променів у кабелі.

Рис. 4.5.  Поширення світла в одномодовому кабелі

В одномодовом кабелі практично всі промені проходять той самий шлях, у результаті чого вони досягають приймача одночасно, і форма сигналу майже не спотворюється (мал. 4.5). Одномодовий кабель має діаметр центрального волокна близько 1,3 мкм і передає світло тільки з такою ж довжиною хвилі (1,3 мкм). Дисперсія й втрати сигналу при цьому дуже незначні, що дозволяє передавати сигнали на значно більшу відстань, чим у випадку застосування многомодового кабелю. Для одномодового кабелю застосовуються лазерні прийомопередавачи, що використовують світло винятково з необхідною довжиною хвилі. Такі прийомопередавачи поки ще порівняно дороги й не довговічні. Однак у перспективі одномодовий кабель повинен стати основним типом завдяки своїм прекрасним характеристикам. До того ж лазери мають більшу швидкодію, чим звичайні світлодіоди. Загасання сигналу в одномодовому кабелі становить близько 5 дБ/км і може бути навіть знижене до 1 дБ/км.

Рис. 4.6.  Поширення світла в многомодовому кабелі

У многомодовому кабелі траєкторії світлових променів мають помітний розкид, у результаті чого форма сигналу на прийомному кінці кабелю спотворюється (мал. 4.6). Центральне волокно має діаметр 62,5 мкм, а діаметр зовнішньої оболонки 125 мкм (це іноді позначається як 62,5/125). Для передачі використовується звичайний (не лазерний) світлоодіод, що знижує вартість і збільшує термін служби прийомопередавачів у порівнянні з одномодовим кабелем. Довжина хвилі світла в многомодовому кабелі дорівнює 0,85 мкм, при цьому спостерігається розкид довжин хвиль близько 30 - 50 нм. Припустима довжина кабелю становить 2 - 5 км. Многомодовий кабель - це основний тип оптоволоконного кабелю в цей час, тому що він дешевше й доступніше. Загасання в многомодовому кабелі більше, ніж в одномодовому і становить 5 - 20 дБ/км.

Типова величина затримки для найпоширеніших кабелів становить близько 4-5 нс/м, що близько до величини затримки в електричних кабелях.

Оптоволоконні кабелі, як і електричні, випускаються у виконанні plenum і non-plenum.