В современном мире информация имеет огромное значение. На ней построена культура, общение, быт и экономика. При этом скорость получения информации должна быть максимально высокой, чтобы полностью удовлетворить запросы современности и поддерживать темп развития новых технологий. Именно поэтому большинство Интернет-провайдеров заменяют свои проводные системы на оптоволоконный кабель.

Назначение

Данный тип проводников рассчитан только на передачу светового импульса, который несет определенную информацию. Именно поэтому его используют для передачи данных, а не в качестве питающей системы. При этом позволяет увеличить скорость по сравнению с металлическим проводником в несколько раз, а при своей работе не имеет побочных эффектов в виде потери качества на больших расстояниях или нагрева проводника. Самым же большим преимуществом является то, что на посылаемый сигнал практически невозможно повлиять со стороны, а значит, он не подвергается воздействию блуждающих токов и не нуждается в экранировании.

Принцип действия

Работу подобного проводника в домашних условиях можно наблюдать в оптоволоконных лампах-ночниках. По специальным проводникам проходит световой импульс, который может обладать не только определенной периодичностью, но и цветом. В это время на другом конце его принимает устройство, преобразующее сигнал в необходимую форму.

Прокладка оптоволоконного кабеля

В настоящее время существует большое количество различных типов данного проводника, который отличается типом скрутки, наличием дополнительной оболочки и бронирования. Фактически можно сказать, что оптоволоконный кабель имеет такие же параметры, как и обычный проводник подобного типа, и требует одинакового процесса укладки. Однако при этом стараются избегать большого количества изгибов и витков, а также не производят работы на участках, подверженных сильному механическому воздействию.

Монтаж оптоволоконного кабеля

В отличие от металлических проводников, которые соединяются между собой способом скрутки, данный тип кабеля предполагает наличие специальных муфт или соединителей. Это связанно именно со способом передачи данных и материалом, который требует точной стыковки. Такие трудности при соединении можно назвать единственным недостатком, который имеет оптоволоконный кабель. При этом его цена постоянно уменьшается, в то время как стоимость металлических проводников постоянно возрастает.

Область применения

В наше время такой тип кабеля часто применяют для присоединения к сети Интернет. Он позволяет получить наибольшую скорость передачи данных, даже на значительном удалении от ретранслятора, и обеспечить стабильную связь. Большинство современных провайдеров повсеместно занимаются заменой всех своих старых линий на новые маршруты, основанные на применении оптоволоконного кабеля. Такие компании могут предложить своим пользователям качественное и высокоскоростное подключение к сети, и поэтому они пользуются большой популярностью.

Рассказывалось о самых распространенных типах оптоволоконного кабеля, применяемых на Украине. А сегодня - кабель в разрезе, и по ходу повествования - некоторые практические моменты его монтажа.

Мы не будем останавливаться на подробной структуре всех видов кабеля. Возьмем некий усредненный типовой ОК:

1. Центральный (осевой) элемент.
2. Оптическое волокно.
3. Пластиковые модули для оптических волокон.
4. Пленка с гидрофобным гелем.
5. Полиэтиленовая оболочка.
6. Броня.
7. Внешняя полиэтиленовая оболочка.

Что же представляет каждый слой при подробном рассмотрении?

Центральный (осевой) элемент

Стеклопластиковый прут в полимерной оболочке или без нее. Основное назначение - придает жесткость кабелю . Стеклопластиковые стержни без оболочки плохи тем, что легко ломаются при изгибе и повреждают расположенное вокруг них оптоволокно.

Оптическое волокно

Нити оптического волокна чаще всего имеют толщину в 125 микрон (примерно с волос). Они состоят из сердечника (по которому, собственно, идет передача сигнала) и стеклянной же оболочки немного другого состава, обеспечивающей полное преломление в сердечнике.

В маркировке кабеля диаметр сердечника и оболочки обозначается цифрами через слэш. К примеру: 9/125 - сердцевина 9 мкм, оболочка - 125 мкм.

Количество волокон в кабеле варьируется от 2 до 144, это также фиксируется цифрой в маркировке.

В зависимости от толщины сердечника оптоволокно подразделяется на одномодовое (тонкий сердечник) и многомодовое (большего диаметра). В последнее время многомод применяется все реже, поэтому останавливаться на нем не будем. Отметим только, что предусмотрен он для использования на небольшие расстояния. Оболочку многомодового кабеля и патчкордов обычно делают оранжевого цвета (одномодовый - желтый).

В свою очередь одномодовое оптическое волокно бывает:

• Стандартное (маркировка SF, SM или SMF );
• Со смещенной дисперсией (DS, DSF );
• С ненулевой смещенной дисперсией (NZ, NZDSF или NZDS).

В общих чертах - оптоволоконный кабель со смещенной дисперсией (в т.ч. с ненулевой) применяется на гораздо большие расстояния, чем обычный.

Поверх оболочки стеклянные нити покрыты лаком, и этот микроскопический слой тоже играет важную роль. Оптоволокно без лакового покрытия повреждается, крошится и ломается при малейшем воздействии. В то время как в лаковой изоляции его можно скручивать и подвергать некоторой нагрузке. На практике оптоволоконные нити неделями выдерживают вес кабеля на опорах, если в процессе эксплуатации рвутся все остальные силовые стержни.

Однако не стоит возлагать на прочность волокон слишком большие надежды - даже покрытые лаком они легко ломаются. Поэтому при монтаже оптических сетей, особенно при ремонте действующих магистралей, требуется предельная аккуратность.

Пластиковые модули для оптических волокон

Это пластиковые оболочки, внутри которых - пучок оптоволоконных нитей и гидрофобная смазка. В кабеле может быть либо одна такая туба с оптоволокном, либо несколько (последнее - чаще, особенно если волокон много). Модули выполняют функцию защиты волокон от механических повреждений и попутно - их объединения и маркировки (если модулей в кабеле несколько). Однако нужно помнить, что пластиковый модуль при изгибе довольно просто переламывается, и ломает находящиеся в нем волокна.

Какого-то одного стандарта на цветную маркировку модулей и волокон нет, но каждый производитель прикрепляет к барабану с кабелем паспорт, в котором это обозначено.

Пленка и полиэтиленовая оболочка

Это элементы дополнительной защиты волокон и модулей от трения, а также влаги - в некоторых видах оптического кабеля под пленкой содержится гидрофоб. Пленка сверху может быть дополнительно армирована переплетением нитей и пропитана гидрофобным гелем.

Пластиковая оболочка выполняет те же функции, что и пленка, плюс служит прослойкой между броней и модулями. Есть модификации кабеля, где ее вообще нет.

Броня

Это может быть либо кевларовая броня (сплетенные нити), либо кольцо стальных проволок, либо лист гофрированной стали:

• Кевлар применяется в тех видах оптоволоконного кабеля, где содержание металла недопустимо или если нужно снизить его вес.
• Кабель с броней из стальных проволочек предназначен для подземной укладки непосредственно в грунт - прочная броня защищает от многих повреждений, в т.ч. от лопаты.
• Кабель с гофроброней прокладывают в трубах или кабельной канализации, защитить такая броня может лишь от грызунов.

Внешняя полиэтиленовая оболочка

Первый и практически самый важный уровень защиты. Плотный полиэтилен призван выдерживать все нагрузки, выпадающие на долю кабеля, поэтому если он повреждается, существенно увеличивается риск порчи кабеля. Нужно следить, чтобы оболочка:

a) Не была повреждена при монтаже - иначе попавшая внутрь влага увеличит потери на линии;

b) Не касалась в процессе эксплуатации о дерево, стену, угол или ребро конструкции и т.д., если есть риск возникновения трения в этом месте при ветровых и иных нагрузках.

Волоконно-оптический кабель – представляет собой стеклянный пучок нитей, который может передавать оптические сигналы. Еще совсем недавно такой кабель стали применять для абонентских линий, а уже сейчас – это основная среда для того, чтоб передавать цифровую информацию на больших расстояниях.

Зачем нужен кабель ОКГ?

Кабель ОКГ разработали для того, чтоб заменить громоздкие кабеля из меди. Они могут выпускаться в таких модификациях как – одномодовые (получили свое применение в телефонии) и многомодовые (широко применяются в сетях). Различия между ними состоит в том, что одномодовые волокна могут передавать сигналы с волнами одной длинны, а многомодовые – волны с разной длинной.

Производство

Ранее уже было сказано, что ВОК – представляет собой стеклянные волокна. Изначально одно волокно – это стержень из стекла, диаметр которой от пяти до восьми сантиметров. Далее такой стержень загружается в специальную машину, которая путем плавки и протягивания превращает его в волокно. После этого такое волокно покрывается оболочкой с внутренними силовыми компонентами.

Прокладывается ВОК практически так же как и медный, но разница состоит в хрупкости, т.е. если ВОК чрезмерно изгибать или натягивать – он ломается.

Безопасность

Для работы с волокно-оптическими кабелями необходимо ни в коем случае не смотреть на торец без специального оборудования, т.к. практически невидимый кусок волокна может, попав в глаза нанести им непоправимый ущерб.

Сращивание

ВОК сращивают либо механически (благодаря специальному устройству концы кабеля полируются, а гель заполняет микро-полости) либо с помощью плавления (волокна плавятся и становятся одним целым).

В основном сращивают волокна механически, т.к. для этого необходим простой набор инструментов, которые предлагают практически все производители, а полировкой может заняться любой рабочий службы поддержки. Если же сращивать волокна методам плавления, то необходимо дорогое оборудование, и не каждый монтажник сможет это сделать.

Ремонт кабеля

Конструкция ВОК изначально совершенна и имеет достаточно каналов в своем резерве, что дает гарантию работы сети с потерями, сведенными к минимуму, если кабель был поврежден. Но в тоже время, если повреждение произошло, то для ремонта потребуется сделать как минимум 2 дополнительных стыка, что может привести к потере мощности. Для того, чтоб этого не произошло, следует заранее включить в кабельную систему ремонтно-восстановительные работы. Конечно, это потребует лишних средств, но поможет сэкономить если возникли какие-либо неполадки в кабеле.

Пока вы читаете эти строки, терабайты данных курсируют по всему миру, запертые в стеклянных нитях, протянутых по дну океана. Напоминает магию, но это всего лишь продвинутая технология. Оптическое волокно - технология, которой, человечество обязано естествоиспытателям XIX века. Наблюдая за лучами света на поверхности пруда, они предположили, что светом можно управлять, но претворить в жизнь ту гениальную идею удалось только совсем недавно с появлением сложнейших заводов и тщательным изучением оптических свойств материалов.

Запертый свет

По медной витой паре (как в вашем интернет-кабеле) во множестве движутся электроны. Ток предается по проводнику и несет с собой закодированную в последовательности импульсов - информацию. Нули и единицы - двоичный код, о котором слышали, пожалуй, все. Оптический проводник сигнала работает по тому же принципу, но с точки зрения физики, с ним все гораздо сложнее. Тут могла бы быть получасовая лекция о квантовой механике, и о том, как множество именитых физиков пришли в тупик, пытаясь понять природу света, но постараемся обойтись без пространных рассуждений.

Достаточно держать в уме то, что подобно электронам, фотоны или световые волны (на самом деле в нашем контексте это одно и то же), могут переносить закодированную информацию. Так, например, на аэродромах, в случаях отказа радиосвязи, передают сигналы самолетам при помощи направленных прожекторов. Но то примитивный метод, да и работает он лишь на расстоянии прямой видимости. В то же время, по оптоволокну свет передается на километры и далеко не по прямой траектории.

Чтобы добиться такого эффекта, можно было бы использовать зеркала. Собственно, с этого инженеры-испытатели и начали свои эксперименты. Они покрывали металлические трубы изнутри зеркальным слоем и направляли внутрь луч света. Но мало того, что подобные световоды стоили непомерно дорого. Свет многократно отражался от их стенок и постепенно затухал, терял силу и совершенно сходил на нет.

Зеркала не годились. Иначе и быть не могло. Даже самое дорогое зеркало не идеально. Его коэффициент отражения меньше 100% и после каждого падения на зеркальную поверхность световой луч теряет часть энергии, а в замкнутом объеме световода таких преломлений происходит неисчислимое множество.

Тут-то и пришло время вспомнить о пруде и тех давних исследованиях, что основывались на наблюдении за поведением света в воде. Представьте, как луч закатного солнца падает на поверхность воды, преодолевает границу и направляется вниз, к дну пруда.

Те из читателей, кто помнит школьный курс физики, наверняка уже догадываются, что свет изменит направление своего движения. Часть света пройдет под воду, чуть изменив угол своего движения, а другая незначительная часть света отразится обратно в небо, потому, как «угол падения равен углу отражения». Если долгое время наблюдать за этим явлением, однажды, можно заметить, что свет, отраженный от зеркала под водой, под определенным углом так и не сумеет вырваться наружу - отразится от границы воды и воздуха полностью, лучше, чем от всякого зеркала. Дело не в воде как таковой, а в сочетании двух сред с различными оптическими свойствами - неодинаковыми коэффициентами преломления. Для создания световой ловушки достаточно минимального их различия.

Гибкие световоды

Материалы не столь уж важны. В физических опытах для детей, демонстрирующих этот эффект, часто используют воду и прозрачную пластмассовую трубку. Больше чем на пару метров в таком световоде световой луч не передать, но смотрится это красиво. По той же причине светильники и прочие декоративные изделия часто имеют в своей конструкции световоды из пластмасс. Но когда речь заходит о передаче информации на многие километры, требуются особые, сверхчистые материалы, с минимумом примесей и оптическими свойствами, близкими к идеальным.

В 1934 году американец Норман Р. Френч запатентовал стеклянный световод, который должен был обеспечить телефонную связь, но он толком не работал. Потребовалась масса времени, чтобы найти материал, который бы отвечал высочайшим требованиям к чистоте и прозрачности, изобрести оптическое волокно из диоксида кремния - чистейшего кварцевого стекла. Чтобы создать в прозрачном кремнии разность коэффициентов преломления, прибегают к хитрости. Центр прозрачной болванки, которая превратится в провод, оставляют чистым, в то время, как внешние слои насыщают германием - он изменяет оптические характеристики стекла.

В таком случае, болванку обычно спекают из двух заранее приготовленных стеклянных трубок, вставленных одна в другую. Но можно поступить и наоборот, насытив сердцевину стекловолокна германием. Более технологичным и высококачественным стекловолокно получается, когда стеклянные трубки наполняют изнутри газом и ждут, пока германий сам осядет на стекло тончайшим слоем. Затем трубку разогревают и растягивают до метровой длины. При этом полость внутри закрывается сама.

Получившийся стержень имеет сердцевину с одним коэффициентом преломления и оболочку с другими оптическими параметрами. Он то и послужит для изготовления оптического волокна. Пока тяжелая заготовка толщиной в руку ничем не напоминает провод, но кварцевое стекло хорошо растягивается.

Подготовленную болванку поднимают на высоту десятиметровой башни, закрепляют на вершине и равномерно нагревают до пор, пока по консистенции она не будет напоминать нугу. Тогда из стеклянной болванки под собственным весом начинает тянуться тончайшая нить. По пути вниз она остывает и приобретает гибкость. Это может показаться странным, но сверхтонкое стекло прекрасно гнется.

Готовое оптическое волокно, непрерывно поступающее вниз, окунают в ванну с жидким пластиком, образующим защитный слой на поверхности кварца, а затем сматывают. Так продолжается до тех пор, пока заготовка на вершине башни не будет полностью переработана в единую нить из сотни-другой километров оптического волокна.

Из него, в свою очередь, будут сплетены кабели, содержащие от пары, до пары сотен отдельных стеклянных волокон, упрочняющие вставки, экранирующие слои и защитные оболочки.

1. Осевой стержень.
2. Оптическое волокно.
3. Пластиковая защита оптических волокон.
4. Пленка с гидрофобным гелем.
5. Полиэтиленовая оболочка.
6. Армирование.
7. Внешняя полиэтиленовая оболочка.

Связь со скоростью света

Описанный процесс сложен, трудозатратен, требует постройки заводов и специального обучения от их персонала, и, тем не менее, игра стоит свеч. Ведь скорость света - это непреодолимый предел, максимальная скорость, с которой информация может распространяться в принципе. Соперничать с оптическим волокном в скорости передачи информации могут, разве что, линии прямой оптической связи, но никак не медные проводники, на какие бы ухищрения не шли их создатели. Сравнения демонстрируют превосходство оптического волокна над остальными средствами передачи информации лучше всего.

Домашний интернет на постсоветском пространстве, зачастую, проводят по двужильной витой паре с проводниками толщиной в один - два миллиметра. Максимумом для нее, оказывается показатель в 100 мегабит в секунду. Этого достаточно для пары компьютеров, но, когда в квартире оказываются умный телевизор, NAS, раздающий торренты, домашний сервер, несколько смартфонов и умных девайсов из мира интернета вещей, не хватит и восьмижильного провода. Ограничения канала связи становятся очевидны. Как правило, в виде артефактов и заикающихся киногероев на экране телевизора, или лагов в онлайн-играх. Оптоволокно толщиной 9 микрон обладает в 30 раз большей пропускной способностью, не говоря уже о том, что таких жил в проводе может быть несколько.

При этом оно компактнее и весит значительно меньше обычных проводов, что оказывается решающим преимуществом, при прокладке магистральных линий связи и планировании городских коммуникаций.

Оптические кабели соединяют континенты, города и датацентры. В России первая такая линия, появилась в Москве. Первый подводный оптический кабель пролег между Санкт-Петербургом и датским Аберслундом. Затем оптоволокно протянулось между предприятиями, государственными учреждениями и банками. В крупных городах получила распространение схема, при которой оптические линии связи доводят до отдельных многоквартирных домов, и, тем не менее, для рядового потребителя оптическое волокно все еще остается экзотикой. Нам бы было интересно узнать, как много наших читателей использует его дома, потому что, по большинству квартир по-прежнему тянется старая-добрая витая пара.

Оптическое волокно не только дорогое и сложное в производстве. Еще дороже оказывается его квалифицированное обслуживание. Тут не обойтись без синей изоленты. При монтаже волокна кварца необходимо специальным образом сращивать, а линии оптоволоконной связи комплектовать дополнительным оборудованием.

Несмотря на то, что разность коэффициентов преломления в сердцевине и оболочке волокна в теории создает идеальный световод, запущенный по кварцевому проводу свет все равно затухает из-за примесей, содержащихся в стекле. Увы, избавиться от них полностью практически невозможно. Десятка молекул воды на километр оптического волокна уже достаточно, чтобы внести в сигнал ошибки и снизить расстояние, на которое его можно передать.

С подобной проблемой сталкиваются инженеры-электрики и в случае с обычными проводами. Расстояние, на которое можно без проблем отправить сигнал по проводу они называют дистанцией регенерации.

Для стандартного телефонного кабеля она равняется километру, у экранированного кабеля - пяти. Оптоволоконная жила удерживает свет на расстоянии до нескольких сотен километров, но, в конце концов, сигнал все равно приходится усиливать, регенерировать. На классических линиях связи устанавливаются сравнительно дешевые и простые усилители. Для оптоволоконных – требуются сложные и высокотехничные агрегаты в которых используются редкоземельные металлы и инфракрасные лазеры.

В линию связи врезают небольшой участок специально подготовленного стекловолокна. Оно дополнительно насыщенно атомами эрбия, редкоземельного элемента используемого, помимо прочего, в атомной промышленности. Атомы эрбия в этом участке волокна находятся в возбужденном состоянии из-за дополнительной накачки светом. Проще говоря, их подсвечивают специально настроенным лазером. Сигнал, проходящий такую область кабеля, усиливается примерно в два раза, поскольку атомы эрбия в ответ на воздействие излучают свет той же волны, что и входящий сигнал, а значит, сохраняют закодированную в нем информацию. После усилителя оптический сигнал может пройти еще около ста километров, прежде чем процедуру потребуется повторить.

Такие системы требуют обученных специалистов для обслуживания и постоянного присмотра, так что экономическая выгода от прокладки индивидуальных оптических линий для конкретных абонентов остается сомнительной в большинстве стран мира. И все же, все мы используем стекловолокно для передачи сообщений. Весь современный интернет базируется на этой технологии и именно благодаря ей стали возможны интернет трансляции в сверхвысоком разрешении, видеостриминг, онлайн игры с минимальной задержкой, мгновенная связь с практически любой точкой планеты и даже мобильный интернет. Да, базовые станции сотовой связи также связывает стекловолокно.

Несмотря на то, что ученые ищут новые пути построения коммуникационных сетей, мы не получим ничего более практичного еще очень долго. Экспериментальные технологии позволяют поднять информационную емкость стекловолокна в два-три раза, все более толстые многожильные стеклянные кабели ложатся на морское дно между континентами, однако принципиальные ограничения, накладываемые скоростью света, запертого в кварцевой жиле, преодолеть вряд ли удастся. Выходом видится отказ от кварца и связанных с ним ограничений, передача информации с помощью лазеров, но она возможна только по прямой. Следовательно, передатчики придется разместить в космосе или хотя бы в верхних слоях атмосферы. Подобные эксперименты в последние годы привлекли внимание крупнейших корпораций, но это уже совсем другая история.

Постепенно оптические линии связи вытесняют обычные медные провода для передачи на большие расстояния, что существенно снижает стоимость обслуживания линий.

Чтобы понять как работает оптоволоконный кабель, представьте невероятно длинную, длиной несколько километров, соломинку для напитков из гибкого пластика. Теперь представьте, что внутренняя поверхность этой мегасоломинки имеет зеркальное покрытие и вы заглядываете в нее с одной стороны. На расстоянии в несколько километров, на другом конце, ваш друг светит внутрь соломинки. Благодаря тому, что внутренняя поверхность соломинки представляет из себя идеальное зеркало, свет от фонарика многократно отражается от стенок соломинки (даже в тех местах, где она сгибается) и вы можете его видеть в отверстие на другом ее конце. Если ваш друг начнет посылать вам через эту соломинку упорядоченные световые сигналы, например, используя азбуку Морзе, то он сможет держать с вами связь на расстоянии. Это и есть основной принцип работы оптоволоконного кабеля.

Делать кабель из трубок с отражающей поверхностью конечно можно, но будет крайне сложно превратить внутреннюю поверхность в идеальное зеркало. Поэтому оптоволоконный кабель, или кабель ВОЛС, делается из стекла. Стекло имеет невероятную прозрачность, поэтому способно проводить свет на огромные расстояния. Представьте себе обычное оконное стекло толщиной в несколько километров - оно по-прежнему будет прозрачным. Только в оптоволокне толщина стекла сопоставима с толщиной человеческого волоса и эта стеклянная нить покрыта двумя слоями пластика.

Покрывая стекло пластиком вы получаете эквивалент зеркала вокруг стеклянной нити. Это зеркало создает полное внутреннее отражение, как если бы это создавалось зеркальным покрытием нашей соломинки, которую вы себе представляли ранее. Свет путешествует по оптическом волокнам, отражаясь внутри под очень маленькими углами, и полностью остается внутри.

На одном конце оптического кабеля установлен , который включается для передачи каждого бита информации. Современные оптоволоконные системы с одним лазером способны передавать миллиарды бит в секунду, для чего лазер включается и выключается несколько миллиардов раз каждую секунду. Новейшие системы с несколькими лазерами разных цветов способны передавать сразу несколько видов сигнала по одному оптоволокну.

Современные оптоволоконные кабели способны передавать сигнал на расстояние около 100 километров. Примерно через каждые 70-100 километров необходимо устанавливать специальное оборудование, которое ретранслирует сигнал дальше, на следующий сегмент оптоволоконной линии.