Особливості застосування оптичних волокон у мережах FTTx

Вже понад 10 років відносний обсяг інформації, що передається за допомогою мідних кабелів, неухильно зменшується. Традиційні провідні рішення поступово витісняються сучасними бездротовими та оптичними технологіями, надаючи кінцевим споживачам більшу гнучкість, мобільність та швидкість обміну інформацією. Для мобільних пристроїв бездротовий інтерфейс вже давно є основним і практично безальтернативним рішенням, а для стаціонарного обладнання замість традиційних дротових рішень все більшої популярності набирають технології FTTx. Причому, якщо технології FTTP (FTTB і FTTH) вже фактично стали стандартом передачі даних, то в секторі «останньої милі», а точніше «останніх метрів» – від мережевого комутатора до обладнання – традиційні дротові мережі Ethernet хоч і здають свої позиції, але все ще конкурують із оптичними технологіями FTTD та FTTS.

Однією з проблем, що стримує поширення оптичного волокна з його появи, є специфіка фізичних властивостей оптичного кабелю. На відміну від мідних проводів, малочутливих до механічної деформації, оптичне волокно виявилося дуже «ніжним». Розтягування, вигини, затискання та інші види механічної деформації, що неминуче виникають при монтажі та експлуатації інформаційних мереж, на пропускну здатність мідного кабелю невеликої довжини практично не впливають, а для оптоволокна призводять до серйозного погіршення його властивостей, що передають, і навіть до пошкодження. Так, наприклад, вигин кабелю G.652 з радіусом 7,5 мм може призвести до сколу волокна та необоротного пошкодження оптичного каналу.

Для магістральних кабелів ця проблема вирішується використанням жорсткої поліетиленової ізоляції великої товщини та додаванням у конструкцію кабелю спеціальних несучих елементів, наприклад, тросів або армуючих волокон (Малюнок 1). Завдяки цим елементам оптичні волокна всередині кабелю захищені від серйозних механічних пошкоджень, а сам кабель стійкий до більшості видів деформації, що виникають під час його монтажу та експлуатації.

Малюнок 1 – Конструкції магістральних оптичних кабелів.

Однак для внутрішньобудинкових і внутрішньоквартирних мереж, невід'ємної частини технологій FTTD і FTTS, таке рішення не застосовується, оскільки особливістю проводки всередині приміщення якраз і є велика кількість механічних деформацій через прокладання кабелю в коробах і кабельних каналах, а також кріплення до стін або плінтусів допомогою кабельних скоб (Малюнок 2). Особливо жорстким умовам експлуатації піддаються різноманітні патч-корди, для яких часто кріплення кабелю взагалі не передбачено.

Рисунок 2 – Варіанти монтажу оптичного кабелю

Для внутрішньобудинкової проводки та патч-кордів випускаються одно- та двоволоконні оптичні кабелі, які мають полегшену ізоляцію з LSZH – матеріалу, що відповідає самим останнім стандартам безпеки (Малюнок 3), а захист від механічних пошкоджень та розтягування оптичних волокон забезпечується арамідним обплетенням.

Рисунок 3 – Конструкції оптичних кабелів для внутрішньобудинкової проводки

Таким чином, єдиною проблемою з погляду монтажу, що перешкоджає повній відмові від використання мідних кабелів, є забезпечення малого радіусу згину оптичного кабелю. На жаль, запровадженням у кабель якихось додаткових конструктивних елементів цю проблему вирішити неможливо. В даному випадку необхідні серйозні дослідження технології виробництва для забезпечення прийнятного компромісу між двома взаємовиключними вимогами: високою гнучкістю та прозорістю оптичного волокна.

Аналіз стандартів Міжнародного союзу електрозв'язку (МСЕ) показує, що у випадку оптичне волокно може бути одно- чи многомодовым. Системи зв'язку на основі багатомодових волокон простіші у виготовленні і, відповідно, дешевші. Однак через наявність великої кількості шляхів поширення світлових променів (мод) відбувається розмазування в часі кордонів інформаційних імпульсів, що збільшується зі зростанням довжини комунікаційної ділянки. Тому практична дальність зв'язку за допомогою багатомодових волокон зазвичай не перевищує одного кілометра. Для підвищення багатомодові волокна зазвичай виготовляють з градієнтним показником заломлення, який трохи вирівнює час поширення різних мод, збільшуючи розпізнаваність сигналу приймачем.

МСЕ визначає лише один набір рекомендацій щодо характеристик багатомодових оптичних волокон – ITU-T G.651.1. Практично волокна цього типу використовуються у обчислювальних мережах з невеликими довжинами сегментів (GigaEther, FDDI, ATM). У пасивних оптичних мережах, що мають велику довжину, багатомодові волокна зазвичай не використовуються.

Одномодові оптичні волокна мають менший діаметр серцевини, який знаходиться в діапазоні від 7 до 13 мкм. Завдяки цьому кількість мод світлового сигналу і відповідно ступінь його спотворення зменшується. За допомогою одномодових волокон можна здійснити передачу сигналу на відстань кілька сотень кілометрів, тому не дивно, що Міжнародна спілка електрозв'язку вже розробила шість наборів рекомендацій (ITU-T G.652 – G.657), що описують характеристики одномодових волокон. Слід зазначити, що всі одномодові волокна мають подібні технічні характеристики та відрізняються тільки профілем показника заломлення, від якого залежать параметри дисперсії і, відповідно, область застосування того чи іншого кабелю.

Серед перших 1983 року МСЕ було визначено вимоги до характеристик одномодових волокон загального призначення G.652. Вони оптимізовані для передачі сигналів з довжиною хвилі 1310 нм. Дещо гірші характеристики ці волокна мають при роботі в діапазоні 1550 нм. Цей тип волокна має чотири модифікації (G.652.А…G.652.D), що відрізняються величиною згасання та параметрами дисперсії. Основною сферою застосування волокон G.652 є первинні мережі, у тому числі і PON, також їх можна використовувати для внутрішньозонових магістралей та в системах CWDM.

У 1988 році були визначені специфікації для високошвидкісних кабелів G.653, здатних передавати дані зі швидкістю 40 Гб/с на довжині хвилі близько 1310 нм. У деяких випадках передавати інформацію по волокнам G.653 можна на довжинах хвиль від 1420 до 1625 нм. Дві модифікації волокон (G.653.А, G.653.В), що відрізняються параметрами дисперсії можна використовувати в PON, первинних та внутрішньозонових мережах. Через ненульову зміщену дисперсію передавати інформацію на великі відстані за допомогою даних волокон проблематично.

Вперше вимоги до волокон далекого зв'язку з великою довжиною регенераційних ділянок G.654 було сформульовано також 1988 року. Ці волокна мають мінімальні втрати і довжину хвилі відсічення в області 1550 нм. Існує три модифікації волокон G.654 (G.654.А…G.653.С), що мають різні дисперсійні показники.

У 1996 році МСЕ визначив характеристики волокон G.655, які на сьогоднішній день мають найбільшу кількість модифікацій (G.655.А…G.655.Е), що відрізняються дисперсійними показниками. Особливістю волокон G.655 є ненульове дисперсійне зміщення у всьому діапазоні робочих довжин хвиль від 1530 до 1565 нм. Основною сферою застосування волокон G.655 є системи DWDM та, з невеликими обмеженнями, CWDM.

Попит на системи з передачею широкосмугових оптичних сигналів призвів до появи в 2006 волокон G.656, призначених в основному для систем DWDM або CWDM. Одномодові широкосмугові волокна з ненульовою дисперсією G.656 мають всього одну модифікацію (G.656.А) і здатні ефективно працювати в діапазоні частот від 1460 до 1625 за рахунок малого піку поглинання на іонах ВІН.

Бурхливий розвиток технологій FTTx вимагав розробки кабелів, придатних для прокладання мереж усередині приміщень за допомогою технологій та методів, які використовуються для монтажу мідного кабелю. Реагуючи на потреби ринку, 2006 року МСЕ розробив перші рекомендації до волокон G.657. Ці волокна загального призначення придатні для передачі інформації на довжинах хвиль від 1260 до 1625 нм. За своїми технічними характеристиками вони подібні до волокон G.652, але мають відмінну особливість - малий радіус вигину, мінімальне значення якого становить 5 мм. На сьогоднішній день існують чотири модифікації даних волокон (А1, А2, В2, В3), що відрізняються величиною втрат, дисперсійними характеристиками, а також допустимим радіусом вигину.

Таким чином, з усього асортименту оптичних волокон (Таблиця 1) для прокладання комунікацій PON усередині приміщень найкраще підходять кабелі на основі волокон загального призначення G.652 або G.657. Згідно з інформацією, розміщеною в рекомендаціях ITU-T G.657, при розробці волокон G.657 було використано практично двадцятирічний досвід виробництва та експлуатації кабелів G.652, що не могло позначитися негативно на їх експлуатаційних характеристиках.

Волокна G.657 поділяються на дві категорії. Волокна категорії А (G.657.А1 та G.657.А2) мають характеристики повністю аналогічні існуючим одномодовим волокнам G.652.D і можуть використовуватися як їхня заміна. Волокна G.657.А можуть використовуватися у всьому діапазоні довжин хвиль (від 1260 до 1625 нм). Основною відмінністю волокон G.657.А від G.652.D є менший радіус вигину, що становить 10 мм (G.657.А1) і 7,5 мм (G.657.А2) в порівнянні з волокнами G.652. .D, що мають мінімально допустиме значення цього параметра дорівнює 30 мм.

Зменшення втрат на згинах було досягнуто за рахунок спеціальної конструкції оптичного волокна. У традиційному волокні G.652 залежність зміни показника заломлення має ступінчастий характер (Малюнок 4, а). У сучасному волокні G.657.А в оболонці кабелю за допомогою спеціальних добавок формується кільцева область з іншим показником заломлення (Малюнок 4, б), що допомагає утримувати світловий потік при механічній деформації. Волокно подібної конструкції практично повністю сумісне з G.652, але має менші втрати на вигинах (Малюнок 5).

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

Рисунок 5 – Порівняння втрат на вигині волокон G.652 та G.657.

Ще більше зменшити втрати на згині можна за допомогою нанотехнологій. У волокнах G.657.В навколо серцевини формуються два кільця повітряних отворів, завдяки яким досягається повне відображення світлового потоку на згинах (Малюнок 4, в). Така конструкція дозволяє зменшити втрати до величини менше 0,1 дБ на вигині з радіусом 5 мм, проте через порушення мікроструктури збільшуються втрати на стиках як з волокном G.652 так між волокнами одного типу.

Волокна категорії B (G.657.В2 та G.657.В3) призначені для організації зв'язку на невеликих відстанях на довжинах хвиль 1310, 1550 та 1625 нм. Порівняно з волокнами G.657.А вони мають велику величину згасання, які дисперсійні характеристики взагалі нормуються, що, враховуючи малу довжину з'єднувальних ділянок, цілком виправдано і припустимо. Відмінною особливістю волокон G.657.В є вкрай малий мінімально-допустимий радіус вигину кабелю, що становить 7,5 мм для волокна G.657.В2 і 5 мм для G.657.В3.

Таким чином, для технологій FTTx слід використовувати оптичні кабелі на основі волокон G.652 та G.657. Причому рекомендується використовувати кабель на основі волокон G.657 як сучасніший, що має кращі експлуатаційні характеристики.

Для стаціонарного первинного внутрішньобудинкового або внутрішньоквартирного проведення, прокладки в коробах і кабельних каналах можна використовувати кабель на основі волокон G.657.А, оскільки він має менший рівень загасання і нормовані дисперсійні характеристики. Кабель на основі цих волокон, аналогічно кабелям на основі волокон G.652, може використовуватися також для внутрішньозонових магістралей.

Основною сферою застосування кабелів на основі волокон G.657.В, в першу чергу G.657.В3, є патч-корди . Маючи невелику довжину, цей сегмент оптичної мережі, навіть за гірших характеристиках, проти основним кабелем, неспроможна помітно вплинути якість передачі. Проте високий рівень гнучкості, який може порівнятися з мідними кабелями, істотно підвищує експлуатаційні характеристики оптичної системи.

Намагаючись зазирнути у майбутнє, можна з високою ймовірністю стверджувати, що епоха мідних кабелів поступово добігає кінця. Вже зараз можна придбати готові оптичні патч-корди різної довжини на основі волокон G.657.А та G.657.В (Малюнок 6), призначені як для зовнішньої, так і внутрішньої проводки. І навіть якщо ціна оптичних рішень поки вища за мідні, згодом настане момент, коли смуги пропускання проводового Ethernet буде недостатньо для отримання сервісів потрібної якості, і необхідно буде переходити на повністю оптичні рішення.

Малюнок 6 – Патч-корди для внутрішньої (ліворуч) та зовнішньої (праворуч) проводки на основі волокон G.657.А