Особенности применения оптических волокон в сетях FTTx

Уже более 10 лет относительный объем информации, передаваемой с помощью медных кабелей, неуклонно уменьшается. Традиционные проводные решения постепенно вытесняются современными беспроводными и оптическими технологиями, предоставляя конечным потребителям большую гибкость, мобильность и скорость обмена информацией. Для мобильных устройств беспроводной интерфейс уже давно является основным и практически безальтернативным решением, а для стационарного оборудования вместо традиционных проводных решений все большую популярность набирают технологии FTTx. Причем, если технологии FTTP (FTTB и FTTH) уже фактически стали стандартом передачи данных, то в секторе «последней мили», а точнее «последних метров» – от сетевого коммутатора до оборудования – традиционные проводные сети Ethernet хоть и сдают свои позиции, но все еще конкурируют с оптическими технологиями FTTD и FTTS.

Одной из проблем, сдерживающей широкое распространение оптического волокна с момента его появления, является специфика физических свойств оптического кабеля. В отличие от медных проводов, которые малочувствительны к механической деформации, оптическое волокно оказалось очень «нежным». Растяжения, изгибы, защемления и прочие виды механической деформации, неизбежно возникающие при монтаже и эксплуатации информационных сетей, на пропускную способность медного кабеля небольшой длины практически не влияют, а для оптоволокна приводят к серьезному ухудшению его передающих свойств и даже к повреждению. Так, например, изгиб кабеля G.652 с радиусом 7,5 мм может привести к сколу волокна и необратимому повреждению оптического канала.

Для магистральных кабелей эта проблема решается использованием жесткой полиэтиленовой изоляции большой толщины и добавлением в конструкцию кабеля специальных несущих элементов, например, тросов или армирующих волокон (Рисунок 1). Благодаря этим элементам оптические волокна внутри кабеля защищены от серьезных механических повреждений, а сам кабель устойчив к большинству видов деформации, возникающих при его монтаже и эксплуатации.

Рисунок 1 – Конструкции магистральных оптических кабелей

Однако для внутридомовых и внутриквартирных сетей, неотъемлемой части технологий FTTD и FTTS, такое решение неприменимо, поскольку особенностью проводки внутри помещения как раз и является большое количество механических деформаций из-за прокладки кабеля в коробах и кабельных каналах, а также крепления к стенам или плинтусам с помощью кабельных скоб (Рисунок 2). Особо жестким условиям эксплуатации подвергаются различного рода патч-корды, для которых часто крепление кабеля вообще не предусмотрено. 

Рисунок 2 – Варианты монтажа оптического кабеля

Для внутридомовой проводки и патч-кордов выпускаются одно- и двухволоконные оптические кабели, которые имеют облегченную изоляцию из LSZH – материала, соответствующего самым последним стандартам безопасности (Рисунок 3), а защита от механических повреждений и растяжения оптических волокон обеспечивается арамидной оплеткой.

Рисунок 3 – Конструкции оптических кабелей для внутридомовой проводки

Таким образом, единственной проблемой с точки зрения монтажа, препятствующей полному отказу от использования медных кабелей, является обеспечение малого радиуса изгиба оптического кабеля. К сожалению, введением в кабель каких-то дополнительных конструктивных элементов эту проблему решить невозможно. В данном случае необходимы серьезные исследования технологии производства для обеспечения приемлемого компромисса между двумя взаимоисключающими требованиями: высокой гибкостью и прозрачностью оптического волокна.

Анализ стандартов Международного союза электросвязи (МСЭ) показывает, что в общем случае оптическое волокно может быть одно- или многомодовым. Системы связи на основе многомодовых волокон проще в изготовлении и, соответственно, дешевле. Однако из-за наличия большого количества путей распространения световых лучей (мод) происходит размазывание во времени границ информационных импульсов, которое увеличивается с ростом длины коммуникационного участка. Поэтому практическая дальность связи с помощью многомодовых волокон обычно не превышает одного километра. Для ее повышения многомодовые волокна обычно изготавливают с градиентным показателем преломления, который немного выравнивает время распространения различных мод, увеличивая распознаваемость сигнала приемником.

МСЭ определяет только один набор рекомендаций, касающихся характеристик многомодовых оптических волокон – ITU-T G.651.1. Практически волокна данного типа используются в вычислительных сетях с небольшими длинами сегментов (GigaEther, FDDI, ATM). В пассивных оптических сетях, имеющих большую протяженность, многомодовые волокна обычно не используются.

Одномодовые оптические волокна имеют меньший диаметр сердцевины, который находится в диапазоне от 7 до 13 мкм. Благодаря этому количество мод светового сигнала и, соответственно, степень его искажения уменьшается. С помощью одномодовых волокон можно осуществить передачу сигнала на расстояние несколько сотен километров, поэтому неудивительно, что Международный союз электросвязи уже разработал шесть наборов рекомендаций (ITU-T G.652 – G.657), описывающих характеристики одномодовых волокон. Следует отметить, что все одномодовые волокна имеют сходные технические характеристики и отличаются только профилем показателя преломления, от которого зависят параметры дисперсии и, соответственно, область применения того или иного кабеля.

Одними из первых в 1983 году МСЭ были определены требования к характеристикам одномодовых волокон общего назначения G.652. Они оптимизированы для передачи сигналов с длиной волны 1310 нм. Несколько худшие характеристики эти волокна имеют при работе в диапазоне 1550 нм. Этот тип волокна имеет четыре модификации (G.652.А…G.652.D), отличающиеся величиной затухания и параметрами дисперсии. Основной сферой применения волокон G.652 являются первичные сети, в том числе и PON, также их можно использовать для внутризоновых магистралей и в системах CWDM.

В 1988 году были определены спецификации для высокоскоростных кабелей G.653, способных передавать данные со скоростью 40 Гб/с на длине волны около 1310 нм. В некоторых случаях передавать информацию по волокнам G.653 можно на длинах волн от 1420 до 1625 нм. Две модификации волокон (G.653.А, G.653.В), отличающиеся параметрами дисперсии можно использовать в PON, первичных и внутризоновых сетях. Из-за ненулевой смещенной дисперсии передавать информацию на большие расстояния с помощью данных волокон проблематично.

Впервые требования к волокнам дальней связи с большой длиной регенерационных участков G.654 были сформулированы также в 1988 году. Эти волокна имеют минимальные потери и длину волны отсечки в области 1550 нм. Существует три модификации волокон G.654 (G.654.А…G.653.С), имеющие различные дисперсионные показатели.

В 1996 году МСЭ определил характеристики волокон G.655, которые на сегодняшний день имеют наибольшее количество модификаций (G.655.А…G.655.Е), отличающиеся дисперсионными показателями. Особенностью волокон G.655 является ненулевое дисперсионное смещение во всем диапазоне рабочих длин волн от 1530 до 1565 нм. Основной сферой применения волокон G.655 являются системы DWDM и, с небольшими ограничениями, CWDM.

Спрос на системы с передачей широкополосных оптических сигналов привел к появлению в 2006 году волокон G.656, предназначенных в основном для систем DWDM или CWDM. Одномодовые широкополосные волокна с ненулевой дисперсией G.656 имеют всего одну модификацию (G.656.А) и способны эффективно работать в диапазоне частот от 1460 до 1625 нм за счет малого пика поглощения на ионах ОН.

Бурное развитие технологий FTTx требовало разработки кабелей, пригодных для прокладки сетей внутри помещений с помощью технологий и методов, используемых для монтажа медного кабеля. Реагируя на потребности рынка, в 2006 году МСЭ разработал первые рекомендации к волокнам G.657. Эти волокна общего назначения пригодны для передачи информации на длинах волн от 1260 до 1625 нм. По своим техническим характеристикам они сходны с волокнами G.652, но имеют отличительную особенность – малый радиус изгиба, минимальное значение которого составляет 5 мм. На сегодняшний день существуют четыре модификации данных волокон (А1, А2, В2, В3), отличающиеся величиной потерь, дисперсионными характеристиками, а также допустимым радиусом изгиба.

Таким образом, из всего ассортимента оптических волокон (Таблица 1) для прокладки коммуникаций PON внутри помещений наилучшим образом подходят кабели на основе волокон общего назначения G.652 или G.657.  Согласно информации, размещенной в рекомендациях ITU-T G.657, при разработке волокон G.657 был использован практически двадцатилетний опыт производства и эксплуатации кабелей G.652, что не могло сказаться негативно на их эксплуатационных характеристиках.

Волокна G.657 делятся на две категории. Волокна категории А (G.657.А1 и G.657.А2) имеют характеристики полностью аналогичные существующим одномодовым волокнам G.652.D и могут использоваться в качестве их замены. Волокна G.657.А могут использоваться во всем диапазоне длин волн (от 1260 до 1625 нм). Основным отличием волокон G.657.А от G.652.D является меньший радиус изгиба, составляющий 10 мм (G.657.А1) и 7,5 мм (G.657.А2) по сравнению с волокнами G.652.D, имеющими минимально допустимое значение этого параметра равное 30 мм.

Уменьшение потерь на изгибах было достигнуто за счет специальной конструкции оптического волокна. В традиционном волокне G.652 зависимость изменения показателя преломления имеет ступенчатый характер (Рисунок 4, а). В более современном волокне G.657.А в оболочке кабеля с помощью специальных добавок формируется кольцевая область с иным показателем преломления (Рисунок 4, б), помогающая удерживать световой поток при механической деформации. Волокно подобной конструкции практически полностью совместимо с G.652, но при этом имеет меньшие потери на изгибах (Рисунок 5).

Рисунок 4 – Структура волокна G.652 – а, G.657.А – б и G.657.В – в

Рисунок 5 – Сравнение потерь на изгибе волокон G.652 и G.657

Еще больше уменьшить потери на изгибе можно путем использования нанотехнологий. В волокнах G.657.В вокруг сердцевины формируются два кольца воздушных отверстий, благодаря которым достигается полное отражение светового потока на изгибах (Рисунок 4, в). Такая конструкция позволяет уменьшить потери до величины менее 0,1 дБ на изгибе с радиусом 5 мм, однако из-за нарушения микроструктуры увеличиваются потери на стыках как с волокном G.652 так между волокнами одного типа.

Волокна категории B (G.657.В2 и G.657.В3) предназначены для организации связи на небольших расстояниях на длинах волн 1310, 1550 и 1625 нм. По сравнению с волокнами G.657.А они имеют большую величину затухания, а их дисперсионные характеристики вообще не нормируются, что, учитывая малую длину соединительных участков, вполне оправдано и допустимо. Отличительной особенностью волокон G.657.В является крайне малый минимально-допустимый радиус изгиба кабеля, составляющий 7,5 мм для волокна G.657.В2 и 5 мм для G.657.В3.

Таким образом, для технологий FTTx следует использовать оптические кабели на основе волокон G.652 и G.657. Причем рекомендуется использовать кабель на основе волокон G.657 как более современный, имеющий лучшие эксплуатационные характеристики.

Для стационарной первичной внутридомовой или внутриквартирной проводки, прокладки в коробах и кабельных каналах можно использовать кабель на основе волокон G.657.А, поскольку он имеет меньший уровень затухания и нормированные дисперсионные характеристики. Кабель на основе этих волокон, аналогично кабелям на основе волокон G.652, может использоваться также для внутризоновых магистралей.

Основной сферой применения кабелей на основе волокон G.657.В, в первую очередь G.657.В3, являются патч-корды. Имея небольшую длину, этот сегмент оптической сети, даже при худших характеристиках, по сравнению с основным кабелем, не может заметно повлиять на качество передачи данных. Однако высокий уровень гибкости, который уже может сравниться с медными кабелями, существенно повышает эксплуатационные характеристики оптической системы.

Пытаясь заглянуть в будущее, можно с высокой вероятностью утверждать, что эпоха медных кабелей постепенно подходит к концу. Уже сейчас можно приобрести готовые оптические патч-корды различной длины на основе волокон G.657.А и G.657.В (Рисунок 6), предназначенные как для наружной, так и для внутренней проводки. И даже если цена оптических решений пока выше медных, со временем наступит момент, когда полосы пропускания проводного Ethernet будет недостаточно для получения сервисов нужного качества, и необходимо будет переходить на полностью оптические решения.

Рисунок 6 – Патч-корды для внутренней (слева) и внешней (справа) проводки на основе волокон G.657.А