Тема 2. Волоконно-оптические сети

Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) - это вид системы передачи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под назва­нием "оптическое волокно". Волоконно-оптическая сеть - это информационная сеть, связую­щими элементами между узлами которой являются волоконно-оптические линии связи. Тех­нологии волоконно-оптических сетей, помимо вопросов волоконной оптики, охватывают также вопросы, касающиеся электронного передающего оборудования, его стандартизации, прото­колов передачи, вопросы топологии сети и общие вопросы построения сетей.

Преимущества ВОЛС

Широкая полоса пропускания - обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 1014 ГГц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания - это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.

Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отече­ственными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет зату­хание 0,2-0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более.

Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания путем передачи различной модуляции сигналов с малой избыточностью кода.

Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих мед­ных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромаг­нитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В много­волоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.

Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. На­пример, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см может быть заменен одним во­локном диаметром 0,1 см. Если волокно "одеть" в множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого ВОК будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.

Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оп­тической линии связи, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновен­но отключить "взламываемый" канал связи и подать сигнал тревоги. Сенсорные системы, ис­пользующие интерференционные эффекты распространяемых световых сигналов (как по раз­ным волокнам, так и разной поляризации) имеют очень высокую чувствительность к колеба­ниям, к небольшим перепадам давления. Такие системы особенно необходимы при созда­нии линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.

Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать электрических "зе­мельных" петель, которые могут возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например, на разных этажах. При этом может возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование. Для волокна этой проблемы просто нет.

Взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волок­но повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

Экономичность ВОК. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет дву­окись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от ме­ди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. При этом ВОК позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использо­вании ВОК. При использовании солитонных систем передачи достигнуты дальности в 4000 км без регенерации (то есть, только с использованием оптических усилителей на промежуточных узлах) при скорости передачи выше 10 Гбит/с.

Длительность срока эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это оз­начает, что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако, благодаря со­вершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающих систем.

Удаленное электропитание. В некоторых случаях требуется удаленное электропитание узла информационной сети. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля. Однако, в этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с опти­ческими волокнами кабель оснащается медным проводящим элементом. Такой кабель широ­ко используется как в России, так и за рубежом.

Несмотря на многочисленные преимущества перед другими способами передачи ин­формации, волоконно-оптические сети имеют также и недостатки, главным образом из-за дороговизны прецизионного монтажного оборудования и надежности лазерных источников излучения. Многие из недостатков, вероятнее всего, будут нивелированы с приходом новых конкурентоспособных технологий в волоконно-оптические сети.

Недостатки ВОЛС

Стоимость интерфейсного оборудования. Электрические сигналы должны преобразовы­ваться в оптические, и наоборот. Цена на оптические передатчики и приемники остается пока еще довольно высокой. При создании оптической линии связи также требуются высокона­дежное специализированное пассивное коммутационное оборудование, оптические соедини­тели с малыми потерями и большим ресурсом на подключение-отключение, оптические разветвители, аттенюаторы.

Монтаж и обслуживание оптических линий. Стоимость работ по монтажу, тестированию и поддержке волоконно-оптических линий связи также остается высокой. Если же поврежда­ется ВОК, то необходимо осуществлять сварку волокон в месте разрыва и защищать этот участок кабеля от воздействия внешней среды. Производители тем временем поставляют на рынок все более совершенные инструмен­ты для монтажных работ с ВОК, снижая цену на них.

Требование специальной защиты волокна. Прочно ли оптическое волокно? Теоретиче­ски - да. Стекло, как материал, выдерживает колоссальные нагрузки с пределом прочности на разрыв выше 1ГПа (109 Н/м2). Это, казалось бы, означает, что волокно в единичном коли­честве с диаметром 125 мкм выдержит вес гири в 1 кг. К сожалению, на практике это не дос­тигается. Причина в том, что оптическое волокно, каким бы совершенным оно ни было, имеет микротрещины, которые инициируют разрыв. Для повышения надежности оптическое волокно при изготовлении покрывается специальным лаком на основе эпоксиакрилата, а сам оптиче­ский кабель упрочняется, например, нитями на основе кевлара (kevlar). Если требуется удов­летворить еще более жестким условиям на разрыв, кабель может упрочняться специальным стальным тросом или стеклопластиковыми стержнями. Но все это влечет увеличение стоимо­сти оптического кабеля.