Краткий обзор физических принципов волоконной оптики
Оптическая связь была предложена в 1880 году Александром Беллом. Опытный образец устройства обеспечивал связь по воздуху на расстояние до 200 метров. Носителем информации служил модулированный пучок солнечного света. Это изобретение Белла, в отличие от придуманного им же телефона, оставалось практически невостребованным до начала 60-х годов нашего столетия, когда в качестве источника света решили использовать недавно появившиеся лазеры. Фактором, сдерживавшим развитие оптических средств связи, было не только отсутствие мощных источников света, но и большие потери на рассеяние в воздухе, который в то время казался единственно возможной средой передачи информации. Новый скачок в этой области был связан с появлением в 1966 году двухслойных волоконных световодов с малыми потерями. Это был прообраз тех волоконнооптических кабелей, которые в настоящее время стали такими привычными для всех, кто имел дело с современными системами связи.
Надо, впрочем, признать, что привычным в волоконно-оптической связи стало только ее название. Если говорить честно, сетевые специалисты (не говоря уже о пользователях) зачастую испытывают по отношению к средствам волоконной оптики что-то вроде священного трепета. Связано это, скорее всего, с отсутствием четкого представления о том, что такое оптический кабель и (что, возможно, главное) как с ним работать.
На самом же деле, существуют вполне освоенные приемы работы с оптическими волокнами, которые позволяют свести все действия с кабелями к набору простых операций, аналогичных операциям с обычными электрическими кабелями (разделка, зачистка, пайка, проверка соединения). Конечно, необходимые инструменты отличаются от привычных кусачек и паяльников, но они выпускаются промышленностью, вполне доступны и стоят недорого. С готовыми же волоконно-оптическими кабелями можно работать как с обычными радиотехническими - соединять их разъемами, подключать к хабам, коммутаторам и прочим устройствам.
Когда применяется оптический кабель
Часто считают, что широкое распространение оптических волокон для передачи информации связано с их высокой пропускной способностью. Это верно лишь отчасти. Вообще говоря, оптические кабели могут обеспечить такую пропускную способность, которой невозможно достичь на электрических кабелях (155 Мбит/сек). Однако в локальных вычислительных сетях стандартной архитектуры пропускная способность определяется протоколом сети, а не физическими параметрами кабелей. Применение здесь оптических кабелей обусловлено, в первую очередь, тем, что такие кабели обеспечивают передачу информации на значительно большие расстояния. Это связано с более низкими потерями в оптическом волокне по сравнению с коаксиальными кабелями: ясно, что чем меньше потери в кабеле, тем на большее расстояние можно передавать сообщения. Поэтому снижение потерь - важнейшее направление развития волоконно-оптической технологии. Потери в первых волоконно-оптических кабелях составляли 20 дБ/км; в настоящее время типичный уровень потерь составляет менее 1 дБ/км. Если вначале использование лазеров казалось неизбежным, то теперь в качестве источников света применяются и простые светодиоды.
В процессе установки, модернизации и эксплуатации сети неизбежно возникает необходимость соединения кабелей. Места соединения вносят свой вклад в потерю сигнала. На важность этого источника потерь указывает тот факт, что даже идеально выполненное соединение по уровню вносимых потерь может быть эквивалентно полукилометру оптического кабеля. Вообще же соединение оптических кабелей, на первый взгляд, представляет собой достаточно сложную техническую проблему: торцевые плоскости сращиваемых волокон должны быть параллельны с точностью до одного градуса (или менее), а смещение центров ядра и оболочки в месте соединения не должно превышать 0.5 микрона.
Неизвестно, как вообще можно было работать с оптическими волокнами, если бы различные компании не разработали специальные технические приемы, позволяющие простым образом соединять два волокна и собирать оптические разъемы. Собственно, особое разнообразие тут не просматривается: два кабеля можно соединить либо стыковым сочленением волокон (аналогично пайке электрических проводов), либо с применением разъемов (которые предварительно нужно смонтировать на кабеле).
Для этих операций выпускаются стандартные наборы инструментов и приспособлений, и в результате монтажные операции оказываются не сложнее обычной пайки. Выпускаемые инструменты позволяют производить (зачистку" волокон, соединять волокна между собой (с соблюдением всех требований, о которых говорилось выше), а также собирать разъемы для оптических кабелей (обычные байонетные или более сложные защелкивающиеся разъемы, удобные для работы в местах с затрудненным доступом) и проверять качество получающихся соединений. Больше ничего и не требуется.
Ниже мы последовательно описываем все операции, необходимые для изготовления волоконно-оптических кабелей. После того как кабель изготовлен, можно забыть о том, что он оптический, а не электрический (не надо только слишком сильно его изгибать).
Как соединить два волокна
Чтобы соединить два оптических кабеля, надо прежде всего подготовить торцевые поверхности сращиваемых волокон. Необходимые для этого инструменты и принадлежности выпускаются целым рядом фирм, в частности, компаниями АМР и ЗМ (последняя больше известна в России как изготовитель канцелярских товаров). Начиная работу с волоконной оптикой, надо просто купить какой-нибудь из таких наборов; стоят они недорого. Как и при работе с обычными кабелями, оптическое волокно вначале следует зачистить при помощи специального инструмента из предварительно купленного набора. Затем специальным резаком (тоже из набора) следует срезать кончик оптического волокна (подчеркнем,что необходимо именно резать а не рубить, поскольку в последнем случае неизбежны сколы материала, понижающие качество получающегося соединения). Далее необходимо убедиться, что срез получился ровный; для этого удобно использовать специальные микроскопы, выпускаемые той же компанией ЗМ или, например, компанией Noyes (Laconia, NH). В целом эта операцией требует определенного навыка, поэтому процент брака здесь довольно велик (15-20 процентов). Впрочем, брак здесь дело не страшное; надо просто попытаться отрезать еще раз.
Далее с подготовленным срезом можно поступать по-разному. Если необходимо просто соединить два волокна, то можно использовать механические зажимы Fibrlok, выпускаемые той же компанией ЗМ. Действуют они по принципу механической защелки: надо просто вложить в зажим подготовленные волокна и привести их торцы в соприкосновение, а затем защелкнуть замок. Потери в таком соединении (среднее значение) составляют около 0.07 дБ и, конечно же, сильно зависят от качества подготовки волокон и аккуратности выполнения собственно соединения. Допустимая нагрузка на соединение составляет около 1.5 кг. Таким способом можно соединять как одномодовые, так и многомодовые волокна.
На том же принципе основаны зажимы для многожильных оптоволоконных кабелей. Промышленно выпускаются, например, зажимы Fibrlok для соединения 12 волокон сразу. Конечно, такими зажимами пользоваться сложнее, потому что приходится выставлять 12 пар соединяемых волокон одновременно, но ведь и с электрическими многожильными кабелями работать гораздо труднее, чем с одножильными. В целом же Fibrlok позволяет быстро и легко восстанавливать повреждения и наращивать кабели.
Как соединить два кабеля: разъемы для волоконной оптики
Более основательным подходом к соединению оптических кабелей является использование стандартных разъемов. Их тоже существует довольно много, и всегда можно найти тот вид разъема, который более всего соответствует данному случаю. Мы сейчас будем говорить не столько о самих разъемах - о них легко можно прочитать в каталоге, скажем, той же компании ЗМ, - а о том, каким образом "впаивается" оптическое волокно в разъем.
Здесь также существуют разнообразные стандартные наборы инструментов и приспособлений. Все они, впрочем, используют один из двух способов крепления волокна в разъеме - либо эпоксидной смолой, либо при помощи специальной смеси, размягчающейся при нагреве (технология Hot Melt).
В обоих случаях внутри разъема находится специальная коническая втулка, выполняющая роль центрирующей направляющей для оптического волокна; в современных изделиях эта втулка изготавливается из циркониевой керамики. Именно благодаря эй и удается точно совместить два волокна при соединении разъемов. Идея проста: оператор вставляет подготовленное оптическое волокно во втулку разъема, а затем втулка заполняется веществом, удерживающим волокно во втулке. В дальнейшем, при соединении частей разъема, торцевые поверхности оптических волокон приводятся в контакт, и тем самым обеспечивается передача сигнала с малыми потерями. Рассмотрим более подробно оба способа крепления волокна в разъеме.
Эпоксидное крепление волокна во втулке может быть применено как для многомодовых, так и для одномодовых волокон. Процедура тут такая: втулка с введенным в нее подготовленным волокном заполняется предварительно приготовленной эпоксидной композицией, после чего дается выдержка для полимеризации (отверждения). Потери в таком соединении зависят от того, выполнялось ли оно в фабричных условиях или на месте. В первом случае фирма дает цифру 0.25 дБ (при длине волны света в 1.3 мкм) для одномодовых волокон и 0.15 дБ для многомодовых волокон, во втором случае потери для волокон обоих типов составляют 0.3 дБ.
Этот метод, при всей своей кажущейся простоте, имеет ряд недостатков: необходимо готовить эпоксидную композицию, использовать шприц для введения эпоксидной смолы и следить за равномерным растеканием клея, кроме того, сам процесс по сопровождающей его "грязи" не уступает пайке. Тем не менее, данная технология довольно широко распространена. Ряд фирм - например, помимо уже упоминавшейся 3М, компания FOCS (Marlborough, МА) - выпускают стандартные наборы инструментов для работ с эпоксидной смолой.
Перечисленных недостатков лишена технология изготовления разъемов с плавким составом. Суть ее такова: в ходе изготовления керамические центрирующие втулки заполняются специальным пластиком с низкой температурой плавления. Чтобы впаять подготовленное волокно в такой разъем, надо просто разогреть в специальной печке (она изготавливается той же компанией) циркониевую втулку с наполнителем. После того как наполнитель размягчится, во втулку вставляется подготовленное волокно. При охлаждении наполнитель затвердевает, и разъем готов. После затвердевания наполнителя торец изготовленного разъема можно обработать на полировальной машинке, которую опять-таки производит компания 3М. Потери в таком соединении составляют примерно 0.3 дБ на 1.3 мкм.
Помимо очевидных преимуществ этой технологии перед использованием эпоксидной смолы, следует отметить, что плавкий наполнитель не имеет срока годности (в отличие от эпоксидной смолы, которую надо использовать в течение определенного срока с момента производства). Весьма серьезным недостатком этой технологии является то, что ее можно применять только для многомодовых волокон (в то время как на практике сейчас в основном используется одномодовое волокно).
Кроме вышеописанных, существует еще один метод "изготовления" разъемов - заказ их на фирме. Фирмы, производящие оптические кабели (например, тот же FOCS), часто занимаются и установкой разъемов. Эти фирмы публикуют специальные бланки заказов, заполнив которые, заказчик может получить точно такие кабели с точно такими разъемами, какие ему нужны, - за дополнительные деньги, конечно. Для российских заказчиков дело, конечно, осложняется удаленностью производителя. Но может быть, кто-нибудь из отечественных компаний догадается предоставлять такую услугу - наверняка найдутся желающие ею воспользоваться.
Кабели, заканчивающиеся разъемами, можно использовать как обычные электрические кабели. Во-первых, существуют соединитель ные втулки, с помощью которых можно осуществлять контакт между двумя разъемами (аналоги электрических I-коннекторов). Эти втулки обеспечивают правильное центрирование соединяемых разъемов и тем самым решают проблему сращивания кабелей.
Далее, выпускается коммутационное оборудование для оптических кабелей, распределительные коробки и другие приспособления. В целом можно сказать, что технология использования оптических кабелей в настоящее время мало чем отличается от кабелей электрических - сложность только в том, как установить на кабель разъем. Впрочем, и здесь проблема в основном заключается в отсутствии привычки - на самом деле, как уже говорилось, технология сборки разъемов для оптоволоконных кабелей не сложнее обычной пайки.
Как тестировать оптический кабель
Последнее, на чем хотелось бы остановиться - это аппаратура для измерения потерь в кабеле. Такая аппаратура необходима для тестирования изготовленных соединений, да и просто для аттестации приобретенных кабелей. И снова - все как с электрическими проводами: сначала изготовь соединение, затем проверь, хорошо ли получилось.
Одним из наиболее простых устройств для измерения потерь являются оптические тестеры MLP, выпускаемые компанией Noyes. Эти тестеры состоят из.двух частей - источника света и прибора для измерения силы света. Источник света может излучать свет одной или нескольких (в зависимости от конструкции тестера) длин волн. Подсоединив один конец тестируемого промежутка к источнику света, а другой - к измерительному прибору, легко можно определить уровень потерь. Если измерить сначала потери просто в куске кабеля, а потом - в куске кабеля с разъемом, то сразу можно вычислить потери в разъеме. Стоит этот прибор недорого, он малогабаритен, удобен для переноски, так что не видно проблем с его использованием для ремонта оптических кабелей на месте.
Помимо таких простых устройств тестерного типа, выпускаются гораздо более сложные (и весьма дорогие) устройства, похожие на осциллографы, - рефлектометры, позволяющие производить полное измерение параметров кабеля в автоматическом режиме, при разных длинах волн. Многие из них снабжены микропроцессорами, управляются при помощи меню и способны выполнять в автономном режиме целый ряд сложных аттестационных операций. Например, оказывается возможным наблюдать на экране прибора график изменения параметров кабеля в зависимости от расстояния, причем расстояния здесь могут составлять десятки километров. Кабель при этом просто подключается ко входу прибора, а сама прцедура несколько напоминает радиолокацию. Такие устройства, конечно, не нужны для ремонтников и технического персонала, занимающегося установкой сетей. Они предназначены для заводов по производству средств оптической связи.
Заключение
Некоторая неуверенность, испытываемая многими инженерами перед волоконно-оптической технологией, часто связана с непривычностью (все еще!) оптических методов передачи информации и отсутствием информации об имеющихся в мире разработках в области рутинных операций по установке и сборке сетей с оптическим носителем. Бояться тут нечего, технические операции здесь вовсе не сложны и сводятся к очень ограниченному набору приемов, а необходимое оборудование стоит совсем недорого. Зато эксплуатационные параметры волоконной оптики значительно превосходят параметры электрических кабелей, и в первую очередь - в том, что касается передачи информации на большие расстояния без усилителей и репитеров.
Краткий обзор физических принципов волоконной оптики
По закону преломления света на границе двух сред, при переходе луча из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления угол преломления (то есть угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе) всегда больше угла падения луча (то есть угол между падающим лучом и перпендикуляром к границе). Если угол падения равен так называемому критическому (величина которого определяется соотношением показателей преломления двух сред), преломленный пучок распространяется вдоль границы и не попадает в среду с меньшим показателем преломления. При превышении критического угла происходит полное внутреннее отражение света, и граница раздела просто работает как зеркало.
Оптическое волокно как раз и представляет собой такую двухслойную прозрачную среду. Центральная часть волокна, называемая также ядром (core), имеет больший показатель преломления, чем внешняя часть волокна, или оболочка (cladding). Снаружи волокно обычно заключают в оплетку. Оптический кабель может содержать одно или несколько оптических волокон.
Диаметр оптических волокон всегда очень мал (порядка сотен микрон), поэтому при поднесении торца такого волокна к какому-нибудь источнику света (скажем, светодиоду или лазеру) лучи, проникающие внутрь волокна, оказываются почти параллельными его оси. Это означает, что весьма велика доля лучей, подходящих к поверхности раздела ядро-оболочка под углом, превышающим критический. Такие лучи претерпевают отражение от поверхности раздела и в дальнейшем уже не могут выйти за пределы ядра, многократно отражаясь от границы между ядром и оболочкой. Если диаметр ядра существенно превышает длину волны распространяющегося света, то диапазон углов падения луча на поверхность раздела достаточно велик. При этом может оказаться, что в общем потоке света имеются пучки, претерпевающие разное число отражений от границы в процессе распространения. Эти пучки характеризуются различными отностительными сдвигами фаз, поэтому на выходе из оптического волокна они могут интерферировать, причем это может приводить как к увеличению суммарной интенсивности света на приемном окне преобразователя, так и к ее уменьшению. Волокна, в которых это нежелательное явление возможно, называются многомодовыми (в том смысле, что они допускают много разных режимов распространения световых пучков).
В настоящее время наиболее широкое распространение получили одномодовые волокна, диаметр ядра которых (как правило, это единицы микрон) сравним с длиной волны распространяющегося света. В таких волокнах возможен только один режим распространения светового пучка, поэтому никакой интерференции на выходе не возникает. Заметим, что вследствие того, что диаметр ядра близок (по порядку величины) к длине волны, распространение света в таком волокне уже не полностью описывается законами геометрической оптики. В частности, это приводит к тому, что около половины всей энергии светового потока в волокне переносится в пределах оболочки.
Источниками потерь интенсивности сигнала в волоконно-оптических кабелях являются поглощение и рассеяние света в материале волокна, а также места соединений и изгиба. Первые две причины ослабления сигнала должны анализироваться при планировании сети и закупках кабелей; в процессе установки и эксплуатации сети эти параметры изменяться не могут. Рассеяние света происходит на микронеоднородностях материала световодов, поглощение света также определяется присутствием микродефектов. И рассеяние, и поглощение существенным образом зависят от длины волны. Для типичных материалов минимальное поглощение и рассеяние соответствуют длине волны 1.3 мкм; именно на этой длине волны и работают многие системы оптоволоконной связи. Что касается изгиба, то в паспорте каждого кабеля отдельной строкой дается информация о том, каков минимально возможный радиус изгиба данного носителя. Дело здесь в том, что в месте изгиба меняется геометрия распространения света в кабеле, что приводит к рассеянию части энергии светового пучка, причем чем меньше радиус изгиба, тем значительнее ослабление сигнала.
