Кабели, линии, каналы, сети...

Часть 4. Начало в CW-R #4, 10, 12 1996 г.

Как только не называют их, эти кабели! И волоконно-оптические, и оптиковолоконные, и файбер-оптик, и даже ВОЛС. Между тем еще с начала семидесятых они носят красивое имя - оптические. И действительно, есть только два широких класса кабелей связи (см. часть 2) - электрические и оптические. (Это - как разделы физики: электричество и оптика, очень просто). И передают они, соответственно, электрические и оптические сигналы.

Задуманы оптические кабели очень давно, но не было подходящих материалов. Наконец в начале 70-х годов, после многолетних и трудоемких поисков, было создано волокно с потерями света при передаче менее 20 дБ/км. С тех пор, около четверти века, оптоволокно покоряет просторы Земли на суше и на море.

Сначала были проложены соединительные линии между АТС в городах, а затем началось строительство междугородных и международных оптических кабельных магистралей. В последнее десятилетие массово строят морские и океанские межматериковые линии, причем Россия принимает в этом деле достаточно большое участие, чему наилучший пример - Транссибирская оптическая магистраль.

Типичный световод состоит из сердцевины и оболочки. У сердцевины показатель преломления чуть-чуть больше, чем у оболочки, из-за чего световой луч испытывает практически полное внутреннее отражение на границе сердцевина-оболочка. Выполняется и сердцевина, и оболочка из кварцевого стекла. Поверх световода обычно накладывают несколько слоев защитных покрытий, улучшающих его механические и оптические характеристики. Световод со всеми этими покрытиями называют оптическим волокном.

Конструкций световодов и оптических волокон очень много, но основных типов два: многомодовый и одномодовый. Диаметр сердцевины у многомодовых волокон в десятки раз превышает длину волны передаваемого излучения, из-за чего по волокну распространяется несколько типов волн (мод). Окна прозрачности кварца, из которого изготовлены световоды, находятся в области длин волн 0,85; 1,3; 1,55 мкм, а стандартные диаметры сердцевины многомодовых волокн - 50 и 62,5 мкм, вот и сравните...

У одномодового волокна диаметр сердцевины находится обычно в пределах 5 - 10 мкм (АТ&Т, например, стандартизировала 8,3 мкм). Волокно это одномодовым называют в соответствии со сложившейся традицией, т.е. условно: для того, чтобы по волокну передавался только один тип волны (одна мода), размер сердцевины должен быть еще меньше. Диаметр кварцевой оболочки световода тоже стандартизован и составляет 125 мкм.

Для связи на короткие расстояния чаще всего используют многомодовые волокна - они все же проще в монтаже и эксплуатации. На дальние расстояния употребляют одномодовые волокна - они имеют значительно меньшее затухание и уменьшенную дисперсию светового импульса, хотя их сложнее и монтировать, и эксплуатировать.

Параметр "затухание" характеризует ослабление мощности светового потока при передаче по оптическому волокну. Он подобен параметру электрических кабелей и также измеряется в дБ/км. Дисперсия импульса - это его "размывание" при распространении по оптоволокну. Поначалу "высокий и стройный", импульс при передаче "оседает и толстеет". Если два импульса расположены рядом, то по мере прохождения по волокну из-за дисперсии они наползают друг на друга и в конце концов перестают различаться. Дисперсия импульса зависит от затухания, микронеоднородностей, микротрещин, от внутренней структуры материала световода и еще от многих-многих факторов, о которых уже написано множество статей и диссертаций.

Световые импульсы образуются при модуляции источника излучения - лазера или светодиода. Для передачи от источника к волокну очень важна апертура, т.е. действующий раскрыв на входе световода. Апертура зависит от размера сердцевины волокна и от согласования источника с оптоволокном. При неудачном согласовании лишь небольшая доля мощности от передатчика попадает в световод, а остальная энергия отражается. Наоборот, если апертура хорошо согласована с источником, то такое сочетание очень эффективно: вся энергия попадает в световод.

Голый световод плохо переносит всяческие воздействия - изгибы, растяжения, влагу, и поэтому его покрывают защитными материалами (лаками, пластиками), окружают кевларовыми волокнами. И хотя сам световод имеет диаметр 125 мкм, с покрытиями его размер достигает 0,5 мм и более. В таком виде оптоволокно уже можно помещать в кабель - теперь оно сможет противостоять внешним воздействиям. При конструировании кабеля принимают еще дополнительные меры по защите волокон: упрятывают оптические волокна в толстые пластиковые трубки, рядом укладывают упрочняющие стальные и пластмассовые армирующие стержни, а весь внутренний объем кабельной оболочки часто заполняют гидрофобным (водоотталкивающим) материалом или толстыми и прочными пучками пластиковых волокон.

Конструкции оптических кабелей различны. Встречаются кабели с небольшим количеством волокон. Но чаще они представляют собой сложные агрегаты, содержащие множество оптических волокон, помещенных в специальные модули, дополненные еще различными несущими, защитными, питающими и другими элементами. Все зависит от назначения оптического кабеля. Есть конструкции, где оптические волокна лежат свободно в трубках и "звездочках", но есть и такие, где они крепко зажаты в толстом и прозрачном стержне из пластмассы. В линиях связи широко применяются оба типа кабеля.

Крайне важна заделка оптоволокна в разъем - ведь от этого зависит эффективность перехода световых импульсов в местах соединений. Поэтому во всех инструкциях по волоконно-оптическим линиям связи на подготовку и заделку оптических разъемов обращают особое внимание. Заделанный в разъеме конец оптоволокна герметизируют клеем, эпоксидной смолой или другим заполнителем. Затем пристальное внимание обращается обычно на радиус изгиба оптического кабеля. При недостаточно большом радиусе изгиба увеличивается затухание тракта, а при слишком маленьком - возможны поломки световедущих частей оптических кабелей.

Операция по изгибанию оптического кабеля выполняется не как с медными кабелями (просто в пространстве), а на специальной полке, где аккуратно изогнурые кольца и петли из оптического кабеля тщательно закрепляют. Само собой разумеется, что и соединители для оптических линий изготавливают более тщательно, чем обычные, а заделку в них оптоволокна выполняют часто под микроскопом, оснащенным хорошим дисплеем.

Итак, теперь мы представляем себе, что такое оптическое волокно и оптический кабель. Каковы же их возможности по передаче информации? Уже давно и успешно по оптоволокну передают потоки в 155 Мбит/с - в системах связи это первая ступень синхронной цифровой иерархии. Недавно освоили вторую ступень - 622 Мбит/с и быстро осваивают третью - 2,5 Гбит/с (в России такая оптическая линия намечена между Москвой и Петербургом). Поговаривают и о четвертой ступени (10 Гбит/с), но действующих линий с таким темпом нет.

Честно говоря, когда думаешь о подобных потоках информации - дух захватывает. Но ведь еще недавно мы только мечтали о 100 Мбит/с, а теперь это уже пройдено. Со временем потребности людей и компьютеров растут...

В следующий раз мы наконец-то займемся каналами передачи.