Все о ВОЛС: устройство, преимущества и область применения волоконно-оптических линий

Как работает ВОЛС:

1. Электрические сигналы преобразуются в световые.

2. Световые сигналы передаются через оптоволокно (стеклянный или пластиковый проводник).

3. Световые сигналы преобразуются обратно в электрические. 

Таким образом за секунды информация передается на большие расстояния с минимальными потерями. 

Историческая справка

Развитие волоконно-оптических технологий началось в середине XX века, когда ученые осознали потенциальные возможности использования световых сигналов для передачи информации. 

• В 1960-х годах начались эксперименты с оптическими волокнами, но на тот момент они не увенчались успехом из-за недостаточного качества материалов. Только в 1970-х годах, благодаря открытиям в области лазерных технологий, стало возможным создание высококачественных оптоволоконных кабелей, которые могли передавать свет на большие расстояния.

• В 1977 году американская компания AT&T продемонстрировала пример успешного использования волоконно-оптической линии для передачи данных. Это стало толчком для развития технологии. 

• В 1980-х годах началась коммерческая эксплуатация оптоволоконных систем.

• А в 1990-х ВОЛС стали основой для глобальных телекоммуникационных сетей.

Сейчас ВОЛС — основа инфраструктуры интернета, телевидения и других телекоммуникационных услуг. 

Любой канал ВОЛС состоит из двух ключевых компонентов: 

• Оптоволокно — среда для передачи световых сигналов. Оно состоит из пластиковой или стекловидной сердцевины, оболочки и защитного слоя. 

• Трансивер — устройство, которое принимает электрические сигналы и преобразует их в световые для дальнейшей передачи по оптоволокну. И наоборот — принимает световые потоки и восстанавливает из них электрические колебания. 

Также в составе линий есть усилители сигналов, маршрутизаторы для координации отправки данных, коммутаторы для распределения информационных массивов между группами получателей. 

Если в линии два и более кабеля, они соединяются с помощью оптических муфт. Для оконечивания элементов применяются оптические кроссы, а для подключения к оборудованию — коннекторы. О них мы рассказываем в разделе ниже. 

Оптоволокно и понятие модовости

Световой сигнал внутри оптоволоконного кабеля может распространяться разными путями (модами) — прямо и зигзагообразно, отражаясь от стенок. Вариант пути напрямую влияет на скорость передачи данных и потери сигнала. 

В зависимости от модовости оптоволокно делится на два основных типа — Single-Mode (SM) и Multi-Mode (MM). Они различаются ключевыми параметрами: диаметром сердцевины и рабочими длинами волн.

• Single-Mode (SM) имеет тонкую сердцевину (7–9 мкм) и использует для передачи света конкретные длины волн, чаще всего 1310 нм и 1550 нм.

• Multi-Mode (MM) обладает значительно более широкой сердцевиной (50–62,5 мкм) и работает в диапазоне 850–1300 нм.

Существует еще один стандарт, описывающий одномодовое волокно, предназначенное для специфических нужд — G.657. Такой материал подходит для прокладки в сложных с точки зрения монтажа пространствах, поскольку характеризуется устойчивостью к изгибам. 

Если внимательно изучить характеристики оптоволокна, везде будет фигурировать длина используемой световой волны, поскольку параметр сильно влияет на затухание сигнала. Есть такое понятие, как окно прозрачности. Это диапазон длин волн, при которых отмечается минимальное затухание. 

На графике видно, что базовые диапазоны длин — это 850, 1 350 и 1 550 нм. Длина 850 нм применяется в многомодовом оптоволокне для передачи данных на малые расстояния. 1 310 нм используется преимущественно в одномодовом волокне для передачи на средние и значительные дистанции. Длина 1 550 нм характеризуется минимальным затуханием сигнала, поэтому подходит даже для магистральных линий связи. 

Трансиверы и мультиплексирование

Часто встречается конфигурация трансивера с двумя оптическими портами: передатчиком (Tx) и приемником (Rx). Такая конструкция предназначена для работы с дуплексным волокном (двойным), где для приема и передачи данных используется пара волокон. 

Есть трансиверы с одним оптическим портом, который способен одновременно передавать и принимать сигналы. В этом случае применяется симплексное соединение (одноволоконное), где происходит двунаправленная передача данных по одному волокну с помощью технологии мультиплексирования, которую иначе называют спектральным уплотнением каналов (WDM). В таких трансиверах применяется модуль WDM-мультиплексора, известный как BOSA (Bidirectional Optical Sub-Assemblies). Он нужен, чтобы передавать по одному волокну независимые световые сигналы со своими длинами волны. 

Оптический трансивер состоит из нескольких элементов: 

• лазерного излучающего устройства (передатчика);

• фотоэлемента (приемника);

• преобразователей сигналов;

• модулятора и демодулятора;

• усилителя;

• чипа памяти;

• схемы термостабилизации. 

В трансиверах используются разные типы лазеров-передатчиков:

• FP — лазер со средней мощностью и широким спектром.

• VCSEL — лазер с вертикальным объемным резонатором, отличающийся узким спектром.

• DFB — лазер с распределенной обратной связью, который отличается высокой мощностью. 

• EML (Electroabsorption Modulated Laser) — дорогостоящий лазер с внешним модулятором, обеспечивающий скорости до 100 Гбит/с на дальности до 80 км. 

В качестве приемных устройств в трансиверах используются фотодиоды двух типов:

• PIN — дешевый и надежный.

• APD — дорогостоящий за счет высокого коэффициента усиления и быстродействия. Он принимать сигналы на значительных расстояниях.

Соединение и коннекторы

Есть разные способы подключения волоконно-оптических кабелей, а также множество типов коннекторов для их стыковки с оборудованием. Какие-то коннекторы уже устарели, какие-то — предназначены для специфических условий. Сейчас распространены такие типы: LC, FC, SC и ST. Краткое описание: 

• FC — это один из первых типов коннекторов с резьбовым соединением, обеспечивающим надежную фиксацию. Чаще всего применяется с одномодовым волокном, но есть ограничения, связанные со сложностью установки и обслуживания. Преимущества: высокая точность соединения и устойчивость к вибрациям. 

• ST — тип коннекторов, разработанный компанией AT&T. Благодаря байонетному соединению быстро мотируется. Этот коннектор обычно используется с многомодовыми волокнами. Однако сегодня его популярность снизилась по сравнению с LC и SC. Основное преимущество — простота подключения. Недостатки: меньшая точность соединения по сравнению с FC и высокая чувствительность к вибрациям.

• SC — распространенный тип коннектора с защелкивающимся механизмом, который гарантирует надежное и простое соединение. SC может использоваться как с одномодовыми, так и с многомодовыми волокнами, благодаря чему стал одним из самых популярных коннекторов в сетях. Преимущества: простота установки, высокая надежность и доступная стоимость. Главный минус — относительно большие размеры.

• LC — это миниатюрный коннектор, разработанный компанией Lucent Technologies (сейчас — Nokia). Он также, как и SC, имеет защелкивающееся соединение и подходит как для одномодовых, так и для многомодовых волокон. LC отличается компактными размерами, низкими потерями и высокой плотностью портов, что делает его популярным в телекоммуникационном оборудовании и дата-центрах. Основной недостаток — немалая стоимость по сравнению с SC.

ВОЛС только развиваются и еще не достигли предела совершенства. Однако уже можно выделить много сильных сторон технологии, например:

• Возможность прокладывать оптические кабели по линиям ЛЭП — электромагнитные помехи не будут влиять на качество сигнала. 

• Сравнительно низкая себестоимость линии связи и несложный монтаж ВОЛС за счет малого веса кабелей. 

• Передача информации на большие расстояния почти без искажений благодаря медленному затуханию сигнала. 

• Передача значительных объемов данных в секунду по одному волокну благодаря впечатляющей пропускной способности линии.

• Устойчивость к негативным внешним факторам, таким, как высокая влажность, коррозия, агрессивные химические среды. 

• Длительный срок эксплуатации без необходимости постоянных ремонтов. 

Недостатки у ВОЛС тоже есть. Минусы связаны с особенностями монтажа:

• Оптоволоконный кабель хрупкий, поэтому его нельзя перегибать при монтаже. По этой же причине нужно избегать случайных механических воздействий. 

• Сильные загрязнения в местах стыковок кабеля сокращают срок службы линии. 

• Температурный режим может повлиять на качество работы ВОЛС, поэтому важно за этим следить. 

Многие спорят насчет негативного влияния радиации на оптическое волокно. Влияние есть. Но проблема решается использованием радиационно-стойкого оптического волокна. 

Чтобы нивелировать минусы, необходимо профессионально подходить к проектированию ВОЛС — учитывать эксплуатационные свойства оптоволокна, монтажные параметры, природные условия. 

Волоконно-оптические линии связи применяются в разных отраслях, где ценятся высокая скорость передачи данных, надежность и устойчивость к внешним воздействиям. Примеры использования ВОЛС:

• Интернет и телекоммуникации: высокоскоростной интернет, телевидение и телефония и облачные сервисы. Например, ВОЛС применяются для организации магистральных линий связи, обеспечивающих передачу данных между городами, регионами и даже континентами. 

• Медицина: передача данных внутри медицинских учреждениях и между ними, работа с медицинскими изображениями (например, томографией), дистанционный мониторинг пациентов в телемедицине.

• Промышленность: передача данных между автоматизированными системами для повышения точности управления и контроля процессов в реальном времени. ВОЛС также облегчают дистанционный мониторинг состояния оборудования и позволяют предотвращать аварии на линиях.

Это только малая часть примеров. Также ВОЛС являются основой для работы таких технологий, как 5G и IoT (интернет вещей).

Также ВОЛС являются кровеносной системой современных дата-центров и облачных платформ. Например, высокоскоростные и надежные оптоволоконные соединения внутри облака, например Cloud.ru, являются фундаментом для работы сложных сервисов. Яркий пример — сервис для управления маршрутизацией трафика внутри облака Evolution Magic Router. Он использует производительные сетевые хабы, связанные магистралями ВОЛС, чтобы обеспечить гибкое, безопасное и бесперебойное движение данных между виртуальными машинами, контейнерами и другими облачными ресурсами без создания единой точки отказа.

В эти моменты сильно углубляться не будем. В общих чертах рассказываем, как происходит монтаж линий и что делать, чтобы все исправно работало.  

Проектирование и монтаж

Основные этапы проектирования и монтажа волоконно-оптических линий связи:

1. Планирование сети. На первом этапе важно понять, какие задачи должна решать сеть, какие расстояния нужно покрыть и какие объемы информации будут передаваться. Необходимо выбрать подходящие типы волокон (одно- или многомодовые) и другие компоненты системы (кабели, коннекторы, усилители). 

2. Проектирование трасс и размещение оборудования. Специалисты создают карты и схемы для точного понимания, где будет проложен кабель, размещены соединительные узлы и оборудование. Важно учитывать физические ограничения и условия среды, в которых будет работать сеть.

3. Монтаж ВОЛС. После согласования запланированных работ начинается прокладывание оптоволоконных кабелей и установка оборудования: коннекторов, распределительных шкафов и усилителей. Монтаж может проводиться как в закрытых помещениях, так и на открытом воздухе.

4. Тестирование. После монтажа проверяют работу системы: запускают передачу данных, следят за целостностью соединений и измеряют потери сигнала. Важно убедиться, что все компоненты работают корректно и поддерживается необходимая пропускная способность.

Диагностика и обслуживание

После установки ВОЛС необходимо регулярно проводить диагностику и обслуживание для поддержания стабильной работы сети. Важно оперативно реагировать на неисправности и своевременно их устранять. Что включает обслуживание:

1. Регулярная диагностика: использование специальных приборов и инструментов для измерения потерь сигнала, напряжения и других показателей. Также проводятся тесты для проверки качества соединений и идентификации слабых мест в сети.

2. Обнаружение неисправностей: повреждений кабелей, неправильных соединений, проблем с оборудованием. Применяются специальные инструменты, которые позволяют быстро выявить слабые места. 

3. Устранение неисправностей, например, замена поврежденных кабелей или перенастройка оборудования. Важно провести ремонт как можно быстрее, чтобы не допускать значительных перерывов в работе сети.

Регулярное обслуживание и диагностика ВОЛС позволяют продлить срок службы сети, минимизировать риски сбоев и обеспечить стабильную работу линии. 

Волоконно-оптические линии связи — это не просто технология, а фундамент современной цифровой эпохи. Благодаря своей пропускной способности, помехозащищенности и возможности передавать данные на огромные расстояния, ВОЛС стали кровеносной системой интернета, телефонии, телевидения и облачных вычислений.

От межконтинентальных магистралей до соединений внутри дата-центра — везде, где требуются скорость, надежность и безопасность, используется оптоволокно. Дальнейшее развитие технологий, таких как 5G, IoT и облачные платформы, будет напрямую зависеть от возможностей и распространения ВОЛС, что гарантирует этой технологии ключевую роль в обозримом будущем.