Максимальная скорость передачи по оптоволокну. Скорость передачи данных по оптоволокну. Новые стандарты и технологии волс

Оптические технологии передачи данных стали прорывом в области телекоммуникаций и сетей передачи данных, требующих высокой скорости передачи. За последние несколько лет исследования привели к появлению систем, которые способны передавать данные на скорости 10 Гб/с и выше. Одним из основных преимуществ оптического кабеля является его способность передавать высокоскоростные оптические сигналы на большие расстояния. Эта статья посвящена оптическому кабелю, принципам, на которых он работает, а также основным блокам систем передачи данных по оптоволокну.

Волоконно-оптические технологии просто используют свет для передачи данных. Использование оптического кабеля началось примерно с 1970 года, когда удалось снизить издержки на производство оптического кабеля и связанных с этим затрат.

Использование оптического кабеля

Волоконно-оптические кабели используются в широком спектре приложений: начиная от медицинского зондирования, заканчивая высокоскоростными сетями передачи оборонных данных. Передача данных осуществляется с помощью оптических передатчиков, передающих высокоскоростные сигналы специальным оптическим приемникам. При этом происходит преобразование цифровых сигналов в оптические и наоборот. Скорость передачи данных по оптическому кабелю достигает 10 Гб/с.

На сегодняшний день существует два типа оптического кабеля: одномодовый (SM) и многомодовый (MM). В последнее время все чаще слышны заявления о том, что многомодовый является более перспективным, обеспечивая более чем стократное превосходство по производительности относительно одномодового оптического кабеля.

Самое активное использование оптического кабеля происходит в телекоммуникационной отрасли. Изначально телефонные компании использовали оптический кабель для передачи больших объемов голосового трафика между центральными телефонными станциями. С 1980-х годов телефонные компании приступили к развертыванию оптических сетей повсеместно.

Пропускная способность оптического кабеля является его наиболее важной и значимой характеристикой. Чем больше полоса пропускания, тем выше скорость передачи и тем больше трафик. Медь имеет весьма ограниченную полосу пропускания и серьезные ограничения на длину кабеля, что делает медную пару менее приемлемой для передачи высокоскоростных сигналов на большие расстояния.

Использование оптического кабеля дает следующие преимущества:

• Высокая полоса пропускания для передачи голоса или видеоизображения.
• Оптические волокна могут нести в тысячи раз больше информации, чем медная проволока. Например, всего одна прядь волокна может передавать все телефонные разговоры Америки в час пик.
• Оптический кабель легче чем медь примерно в 10 раз.
• Низкие потери. Чем выше частота сигнала, тем больше потерь в медной паре. Потери сигнала в оптическом кабеле одинаковы на всех частотах, за исключением сверхвысоких частот.
• Надежность - оптический кабель более надежен и имеет большее время жизни, чем медный кабель.
• Защищенность - оптические волокна не излучают электромагнитных полей, нечувствительны к помехам.

Физический механизм передачи оптических сигналов

В современном приложении оптические кабели подразделяются на многомодовые (MM) и одномодовые (SM), однако и те и другие базируются на одних и тех же принципах. Передача сигнала по оптическому кабелю возможна благодаря явлению, которое называется полным внутренним отражением. Благодаря этому возможна передача оптического сигнала на высокой скорости на большие расстояния.

Одномодовый оптический кабель или многомодовый?

SM и MM кабели различаются по своим размерам, что в свою очередь, влияет на проходящий по оптоволокну сигнал. SM кабели используют толщину основного волокна от 8 до 10 микрон, что позволяет передавать только одну длину волны. MM кабели, напротив, используют более толстое основное волокно примерно 50-60 микрон, что позволяет передавать несколько длин волн одновременно. В SM кабелях меньше величина затухания, что дает возможность использовать их на больших расстояниях. MM кабель позволяет передавать больше данных. Т.о. MM кабель обычно используется на небольших расстояниях, там где необходимо передавать данные с большой скоростью, например в системах хранилищ данных.

Строительные блоки волоконно-оптических систем

Типичная схема оптоволоконной системы состоит из передатчика, оптического кабеля и приемника. Передатчик преобразовывает цифровые электрические сигналы в оптические, которые дальше передаются по оптическому кабелю, обеспечивая высокую скорость передачи и независимость от электромагнитных помех.
Оптический кабель состоит из оптического волокна и двух разъемах на концах, обычно ST, SC, или FC, в зависимости от конфигурации приемника и передатчика.

Оптическое волокно состоит из центрального волокна толщиной несколько микрон, оболочки, которая обеспечивает полное оптическое отражение сигнала и внешней оплетки, которая обеспечивает защиту и идентификацию оптического кабеля.

Таким образом, строительство и эксплуатация волоконно-оптических систем является аппаратно-ориентированной на передачу сигнала на большие расстояния. Зачастую задача именно так и ставится: с помощью оптического кабеля передать с низким затуханием высокоскоростной сигнал на большое расстояние с приемлемым уровнем финансовых затрат.

Конструкция оптического кабеля

состоит из нескольких элементов. Оптический кабель состоит из нескольких элементов: из сердцевины, облицовки и внешнего покрытия. В основе оптического кабеля лежит сердцевина, по которой происходит передача световых сигналов. В основе сердцевины лежит кремний и германий. Оболочка, окружающая сердцевину оптического кабеля состоит из кремния и имеет коэффициент преломления несколько ниже центральной сердцевины. Показатель преломления - это отношение скорости света в вакууме к скорости света в материале. Скорость света в вакууме равна 300 000 000 метров в секунду. Чем выше показатель преломления, тем ниже скорость света в материале. Например, коэффициент преломления света в чистом воздухе равен 1, что означает скорость света в воздухе 300 000 км/c. Коэффициент преломления в стекле 1,5, что означает скорость света в стекле 200 000 км/c.

Несколько слоев буферных обшивок защищают центральную жилу. Защита служит для уменьшения физических нагрузок на кабель, таких как растяжение, изгиб и т.п. Наружная оплетка защищает от внешних воздействий, таких как экологические (температура, влажность, агрессивная среда).

Для соединения оптического кабеля наиболее часто используется SC коннекторы. SC коннектор обеспечивает наибольшую плотность упаковки. Системные администраторы должны учитывать особенности оптического кабеля и активного оборудования для выбора соответствующего типа коннектора.

Типы оптического кабеля

Одномодовый оптический кабель имеет очень маленькую сердцевину как правило 8-10 микрон, что позволяет передавать световые сигналы без устройств повторения на расстояния до 80 км, в зависимости от типа оборудования. SC оптический кабель обладает огромным информационным потенциалом из-за того, что имеет практически неограниченную пропускную способность.

Многомодовый может передавать несколько световых волн, он имеет более толстую сердцевину размером около 50 или 62,5 микрон. Из-за дисперсии многомодовый оптический кабель имеет большее затухание.

Оптика

Любая оптическая система состоит из трех компонентов: передатчика, среднего (волокно кабеля) и приемника. Передатчик преобразует электрические сигналы в свет и направляет его по волокну. Приемник получает световой сигнал и преобразует его в электрический
сигнал. Существуют два вида передатчиков: лазерного диод либо светодиод.

Выходная мощность передатчика указывает на количество энергии, излучаемой в определенный квант времени. Чем выше мощность, тем больше расстояние передачи сигнала. Передатчик имеет возможность изменять скорость передачи для удовлетворения потребности в пропускной способности системы. Диапазон длин волн, излучаемых источником сигнала находится в спектральной ширине.

Приемопередатчики отличаются чувствительностью к состоянию окружающей среды. Лазерный диод требует стабильного напряжения и температуры. Светодиоды являются менее чувствительны к колебаниям окружающей среды. Лазерные диоды являются более дорогостоящими. Светодиодные оптические источники имеют меньшее время жизни, но их легче устанавливать и они более экономичные.

Заключение

Несмотря на то, что развитие использования оптического кабеля началось в телекоммуникационной среде, сегодня это уже обычное дело. Многие компании и промышленные предприятия воспользовались оптоволоконными системами для увеличения производительности своих . Один из вопросов, с которым сталкиваются некоторые предприятия заключается в том, чтобы подключить к оптоволоконной системе имеющееся оборудование и инфраструктуру без дорогих обновлений. Используя медиаконвертеры, позволяющие соединять обычные сетевые каналы на базе медной витой пары и оптоволокна, возможно подключить практически любое сетевое оборудование. Медиаконвертеры предназначены для облегчения перехода на использование оптического кабеля, сводя к минимуму затраты на устранение возникающих проблем.

Внимание! Копирование и перепечатка информации с этого сайта запрещены без письменного согласия администрации.

В журнале Nature Photonics опубликовано описание новой технология передачи данных по оптоволокну на скорости до 26 Тбит/с вместо нынешних максимальных 1,6 Тбит/с.

Группа немецких инженеров под руководством профессора Вольфганга Фройде (Wolfgang Freude) из университета Карлсруэ применила в оптоволокне технику OFDM (ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием), которая широко используется в беспроводной связи (802.11 и LTE), цифровом телевидении (DVB-T) и ADSL.

В оптоволокне использовать OFDM сложнее, ведь тут нужно разделить на поднесущие световой поток. Раньше единственным способом сделать это было использование отдельного лазера для каждой поднесущей.

Сравнение разных видов мультиплексирования

Для вещания на каждой частоте используется отдельный лазер и отдельный приёмник, так что в одном оптоволоконном канале одновременно могут передавать сигнал сотни лазеров. По словам профессора Фройде, общая пропускная способность канала ограничена только количеством лазеров. «Уже был проведён эксперимент и продемонстрирована скорость 100 терабит/с», - сказал он в интервью BBC. Но для этого пришлось использовать около 500 лазеров, что само по себе очень дорого.

Фройде с коллегами разработали технологию передачи по оптоволокну более 300 поднесущих разного цвета одним-единственным лазером, который работает короткими импульсами. Здесь проявляется интересный феномен под названием оптический частотный гребень . Каждый маленький импульс «размазывается» по частотам и времени, так что приёмник сигнала с помощью хорошего тайминга теоретически может обработать каждую частоту по отдельности.

После нескольких лет работы немецким исследователям всё-таки удалось найти правильный тайминг, подобрать подходящие материалы и осуществить на практике обработку каждой поднесущей с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ). Преобразование Фурье - операция, сопоставляющая функции вещественной переменной другую функцию вещественной переменной. Эта новая функция описывает коэффициенты при разложении исходной функции на элементарные составляющие - гармонические колебания с разными частотами.

БПФ идеально подходит для разложения света по поднесущим. Оказалось, что из обычного импульса можно извлечь в совокупности около 350 цветов (частот), и каждый из них используется в качестве отдельной поднесущей, как и в традиционной технике OFDM. В прошлом году Фройде с коллегами провели эксперимент и на практике показали скорость 10,8 терабит/с , а сейчас ещё больше усовершенствовали точность распознавания частот.

По словам Фройде, разработанная им технология тайминга и БПФ вполне может быть реализована в микросхеме и найти коммерческое применение.

Большинство технических специалистов, работающих с оптоволокном, знают об отличии многомодовых волокон от одномодовых. Но не все информированы о характеристиках оптических волокон и о протоколах передачи информации по ним. В статье приведены описания конкретных характеристик оптоволокон и протоколов передачи Ethernet, вызывающих, иногда, противоречивые толкования.

Характеристики оптических волокон

Пожалуй, не найдется специалиста-кабельщика, работающего с оптическим волокном, который не знал бы отличие многомодовых волокон от одномодовых. Мы не собираемся повторять прописные истины в данной статье. Остановимся на конкретных характеристиках оптоволокон, вызывающих, подчас, противоречивое толкование.

Оптические волокна допускают распространение сигналов передачи данных вдоль них при условии, что световой сигнал вводится в волокно под углом, обеспечивающим полное внутреннее отражение на границе раздела двух сред из двух типов стекла, имеющего различные показатели преломления. В центре сердцевины находится особо чистое стекло с показателем преломления 1.5. Диаметр сердцевины находится в пределах от 8 до 62,5 мкм. Окружающее ядро стекло, называемое оптической оболочкой, немного менее свободное от примесей, имеет показатель преломления 1.45. Общий диаметр сердцевины и оболочки находится в пределах от 125 до 440 мкм. Поверх оптической оболочки наносят полимерные покрытия, укрепляющие волокно, защитные нити и внешнюю оболочку.

При вводе оптического излучения в волокно, луч света, падающий на его торец под углом больше критического, будет распространяться вдоль границы раздела двух сред в волокне. Каждый раз, когда излучение попадает на границу между ядром и оболочкой, оно отражается обратно в волокно. Угол ввода оптического излучения в волокно определяется максимально допустимым углом ввода, называемым числовой апертурой или апертурой волокна. Если вращать этот угол вдоль оси сердцевины, формируется конус. Любой луч оптического излучения, падающий на торец волокна в пределах этого конуса, будет передан дальше по волокну.

Находясь внутри сердцевины, оптическое излучение многократно отражаетсяот границы раздела двух прозрачных сред, имеющих различные показатели преломления. Если физические размеры сердцевины оптического волокна существенные, отдельные лучи света будут введены в волокно и, в последующем, претерпевают отражение под разными углами. Поскольку ввод лучей оптической энергии в волокно был осуществлен под разными углами, то и расстояния, которые они проходят, будут также различными. В результате, они достигают приемного участка волокна в разное время. Импульсный оптический сигнал, прошедший по волокну будет расширен, по сравнению с тем, который был отправлен, следовательно, ухудшается и качество переданного по оптоволокну сигнала. Это явление получило название модовой дисперсии (DMD).

Другой эффект, который тоже вызывает ухудшение передаваемого сигнала, получил название хроматической дисперсии . Хроматическая дисперсия обусловлена тем, что световые лучи разных длин волн распространяютсявдоль оптического волокна с различной скоростью. При передаче серии световых импульсов через оптоволокно, модовая и хроматическая дисперсии, в конечном итоге, могут вызвать слияние серии в один длинный импульс, возникновению интерференции бит сигнала и потере передаваемых данных.

Еще одной типичной характеристикой оптического волокна является затухание . Стекло, используемой для изготовления сердцевины оптического волокна (ОВ), является очень чистым, но, все же, не идеально. В результате, свет может поглощаться материалом стекла в оптоволокне. Другими потерями оптического сигнала в волокне могут быть рассеяние и потери, а также затухание от плохих оптических соединений. Потери при соединении оптоволокон могут быть вызваны смещением сердцевин волокна или его торцевых поверхностей, которые не были отполированы и очищеныдолжным образом.

Сетевые протоколы для оптической передачи Ethernet

Перечислим основные протоколы передачи Ethernet по многомодовым и одномодовым оптическим волокнам.

10BASE-FL - 10 Мбит/с передача Ethernet по многомодовому оптоволокну.

100BASE-SX - 100 Мбит/с передача Ethernet по многомодовому ОВ на длине волны850-nm. Максимальное расстояние передачи до 300 м. Большие расстояния передачи возможны при использовании одномодового ОВ. Обратно совместимый с 10BASE-FL.

100BASE-FX - 100 Мбит/с передача Ethernet (Fast Ethernet) по многомодовому ОВ на длине волны 1300-nm. Максимальное расстояние передачи составляет до 400 м для полудуплексных соединений (с обнаружением коллизий) или до 2 км для полнодуплексной связи. Большие расстояния возможны с применением одномодового ОВ. Не обратно совместим с протоколом 10BASE-FL.

100BASE-BX - 100 Мбит/с передача Ethernet по одномодовому ОВ. В отличие от протокола 100BASE-FX, в котором используются два оптоволокна, 100BASE-BX работает по одному волокну с технологией WDM (Wavelength-Division Multiplexing), которая позволяет разделить длины волн сигнала на приеме и передаче. Для передачи и приема используются две длины волны из возможных: 1310 и 1550 nm или 1310 и 1490 nm. Расстояние передачи до 10, 20, или 40 км.

1000BASE-SX - 1 Гбит/с передача Ethernet (Gigabit Ethernet) по многомодовому ОВ на длине волны 850-nm и на максимальное расстояние до 550 м, в зависимости от используемого класса ОВ.

1000BASE-LX - 1 Гбит/с передача Ethernet (GigabitEthernet) по многомодовому ОВ на длине волны 1300-nm на максимальное расстояние до 550 м. Протокол оптимизирован для передачи на большие расстояния (до 10 км) по одномодовому ОВ.

1000BASE-LH - - 1 Гбит/с передача Ethernet по одномодовому ОВ на максимальное расстояние до 100 км.

10GBASE-SR - 10 Гбит/с передача Ethernet (10 GigabitEthernet) по многомодовому ОВ на длине волны over 850-nm. Расстояние передачи может быть 26 м или 82 м, в зависимости от типа применяемого ОВ с сердцевиной 50- или 62.5 мкм. Поддержка передачи на расстояние 300 м по многомодовому ОВ класса ОМ3 и выше, с коэффициентом широкополосности не менее 2000 MГц/км.

10GBASE-LX4 - 10 Гбит/с передача Ethernetпо многомодовому ОВ на длине волны 1300-nm. Использует технологию WDM для передачи на расстояния до 300 м по многомодовым волокнам. Поддержка передачи по одномодовому ОВ на расстояния до 10 км.

В заключение статьи, приведем некоторые данные по используемым типам многомодовых оптических волокон и стандартам передачи. Данные сведены в табл.1 (выдержки из Стандартов).

Международный Стандарт: ISO/IEC 11801 “GenericCablingforCustomerPremises”

МеждународныйСтандарт: IEC 60793-2-10 “Product Specifications - Sectional Specification for Category A1 Multimode Fibers”

Стандарт ANSI/TIA/EIA-492-AAAx “Detail Specification for Class 1a Graded-Index Multimode Optical Fibers”

(1) класс OM1 многомодовое ОВ с сердцевиной 62.5-мкм или 50-мкм.

(2) класс OM2 многомодовое ОВ с сердцевиной 50-мкм или 62.5-мкм.

(3) класс OM4 ратифицирован IEEE в июне 2010 и является Стандартом 802.ba для 40G/100G Ethernet. Работает на расстояниях до 1000 м по 1 Гбит/с Ethernet, 550 м по 10 Гбит/с Ethernet и 150 м по 40 ГБит/с и 100 ГБит/с сетевым протоколам Ethernet.

(4) Международный Стандарт ISO/IEC 11801 определяет максимальное значение затухания ОВ. Стандарты IEC и TIA описывают(минимальное) или среднее затухание «голого» ОВ.

За последние 30 лет, пропускная способность оптического волокна была значительно увеличена. Рост пропускной способности передачи на волокно даже значительно быстрее, чем, например, увеличение емкости электронных чипов памяти, или в увеличение вычислительной мощности микропроцессоров.

Пропускная способность волокна зависит от длины волокна. Чем длиннее волокно, тем больше пагубных эффектов, таких как межмодовая или хроматическая дисперсия, и, следовательно, тем ниже достижимая скорость передачи.

Для коротких дистанций, в несколько сотен метров или меньше (например, в сети хранения данных), часто более удобно использовать многомодовые волокна, так как они дешевле для установки (например, из-за их большой площади сердцевины волокна, они легче сращиваются). В зависимости от технологии передачи и длины волокна, они достигают скорости передачи данных от нескольких сотен Мбит / с и ~ 10 Гбит / с.

Одномодовое волокно обычно используется для больших расстояний, в несколько километров и более. В текущих коммерческих системах телекоммуникации обычно скорость передачи 2,5 или 10 Гбит / с на канал передачи данных на расстояние десяти километров и более. В будущем системы могут использовать более высокие скорости передачи данных в канале, 40 или даже 160 Гбит / с, но в настоящее время требуемая общая мощность обычно получается путем передачи многими каналами с немного разными длинами волн через волокна; это называется спектральным уплотнением (WDM). Общая скорость передачи данных может быть несколько терабит в секунду, достаточной для передачи многих миллионов телефонных каналов одновременно. Даже этот потенциал не достигает на сегодняшний день физический предел оптического волокна. Кроме того, отметим, что волоконно-оптический кабель может содержать несколько слоев.

В заключение не стоит беспокоится, что технические ограничения к оптическим волокнам в передаче данных могут стать серьезными в обозримом будущем. Напротив, тот факт, что возможности передачи данных может развиваться быстрее, чем, например, хранения данных и вычислительные мощности, вдохновило некоторых людей, чтобы предсказать, что любые ограничения передачи скоро устареют, и большие вычисления и хранения объектов в высокой емкости сети передачи данных будет широко использоваться, аналогично тому, как она стала общей для использования электрических мощности от многих электростанциях в больших энергосистемах. Такое развитие событий может быть более строго ограничено программным обеспечением и безопасности, чем ограничение передачи данных.

Скорость доступа по оптоволоконным линиям теоретически почти неограниченна, а практически скорость канала передачи данных бывает 10 Мбит/с, 100 Мбит/с или 1 Гбит/с, это скорость на конечном участке, то есть та скорость, с какой собственно и поступают данные к пользователю и от него.

В 2012 году началась эксплуатация трансатлантического подводного канала передачи нового поколения длинной 6000 километров. Его пропускная способность достигла 100 Гбит/с, что намного выше скорости спутниковой связи. Сегодня подводные оптоволоконные кабели разветвляются прямо на дне океана, обеспечивая потребителя самым высокоскоростным Интернет соединением.

Ученые Министерства обороны Британии разработали специальные очки, которые позволяют солдатам не спать в течение 36 часов. Встроенные оптические микро волокна проецируют яркий белый свет идентичный спектру солнечного света вокруг сетчатки глаза, что «приводит в заблуждение» мозг.

Самая высокоскоростная линия связи в мире длинной около 450 км проложена во Франции и соединяет Лион и Париж. Она произведена на основе технологии «фотонной системы» и позволяет осуществлять передачу данных с рекордной скоростью 400 Гбайт/с и объемом трафика 17,6 терабит в секунду.

Ученые работают над технологией создания оптоволоконных нитей толщиной всего лишь в два нанометра. Для этого они используют паутину крошечного паучка Stegodyphuspacificus. Паучья нить опускается в раствор ортосиликататетраэтила, высушивается и обжигается при температуре 420°С. При этом паутина выгорает, а сама трубка сжимается и становится тоньше в пять раз.

Специфика нашей компании в применении современных технологий ВОЛС. Мы обладаем всеми необходимыми для этого ресурсами и оборудованием. Звоните операторам нашей компании по телефону 8-800-775-58-45 (для жителей Тулы и области) и 8 800 7755845 (звонок по России бесплатный) прямо сейчас и мы поможем Вам провести сверхскоростной интернет на основе волоконно-оптических систем, спроектировать и