Стандарты волоконно-оптических систем

Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE) 25 июня 1998 г. был принят стандарт 802.3z на кабельные системы для технологии передачи данных GigaEthernet. Он включает в себя стандарты 1000BaseLX и 1000BaseSX (передача по оптическому кабелю с использованием длинных и коротких волн соответственно), а также 1000 BaseCX для соединения оборудования медным кабелем на короткие расстояния. Если новый стандарт на медные кабели — дело привычное, то стандарт на ВОЛС для локальных сетей практически не меняется.

В течение многих лет в локальных сетях в основном использовались оптические волокна с диаметром сердцевины 62,5 микрон. Пропускная способность таких кабелей полностью удовлетворяет требованиям систем передачи данных не только на 10 Мбит/с, но и 100 Мбит/с (FastEthernet). Именно такое волокно рекомендовалось стандартом ISO/IEC для структурированных кабельных систем (СКС). Для современных технологий, таких как АТМ и GigaEthernet, пропускная способность волокна с сердцевиной 62,5 микрон недостаточна. Новый стандарт рекомендует использовать оптические волокна с диаметром сердцевины 50 микрон (табл.1).

Принятие стандарта GigaEthernet для оптических кабелей вызвало увеличение числа гигабитных соединений, что было обусловлено ростом количества рабочих мест, использующих технологию FastEthernet. Однако для объединения рабочих групп необходима еще большая скорость. В противном случае, несмотря на хорошее и дорогостоящее оборудование, реальная скорость на рабочем месте вряд ли превысит 10 Мбит/с.

ATM
Сегодня технология АТМ больше знакома миру телекоммуникаций, чем миру передачи данных, поскольку основные ее преимущества проявляются именно при совместной передаче видео, голоса и данных в реальном масштабе времени, где существуют особенно жесткие требования к задержкам. Международная организация ATM-Forum утвердила оптические интерфейсы 51,84; 155,52 и 622,08 Мбит/с. Независимо от этих рекомендаций было также разработано оборудование для сетей АТМ со скоростями передачи 1,2 и 2,4 Гбит/с и даже больше.

Таблица 1

Тип волокна	Многомодовое					Одномодовое
Диаметр сердцевины,микрон	62,5/125		50/125		Полимерное волокно
Рабочая длина волны	850 нм	1300 нм	850 нм	1300 нм	650 нм	1300 нм
Применение: Гигабитный Ethernet	220 м	550 м	550 м	550 м		5000 м
АТМ 50 Мбит/с	2000 м	2000 м	2000 м	2000 м	50 м	—
155Мбит/с	1000 м	2000 м	1000 м	2000 м	50 м	—
622 Мбит/с	300 м	500 м	300 м	500м	—	5000 м
Fibre Channel
1,062Гбит/с	175 м	—	500 м	—	—	10000 м
2,125Гбит/с	—	—	300 м	—	—	2000 м
4,25 Гбит/с	—	—	100 м	—	—	2000 м

Выбор оптического кабеля
Сердцевина оптического волокна с высоким коэффициентом преломления окружена оболочкой с более низким коэффициентом преломления. За счет этой разницы основной световой поток остается внутри сердцевины (явление полного внутреннего отражения). Существует два типа оптических волокон: одномодовое и многомодовое.

Одномодовое волокно. Обычно диаметр сердцевины составляет 8 микрон, и по волокну распространяется только одна мода. Это устраняет межмодовую дисперсию, но полоса пропускания ограничивается явлениями второго порядка, такими как внутримодовая дисперсия. Комбинация огромной пропускной способности и низкого затухания делает одномодовое волокно наиболее предпочтительным для использования в большинстве телекоммуникационных систем. Однако необходимость применения лазеров, излучающих лучи света с малыми численными апертурами (диаметрами) для эффективного ввода в волокно, до сих пор ограничивает использование этого волокна в локальных сетях из-за высокой стоимости этих приборов.

Многомодовое волокно имеет больший диаметр сердцевины (обычно 50 или 62,5 микрон) и позволяет передавать одновременно много мод. У современного градиентного многомодового волокна сложная оптическая сердцевина сконструирована так, что коэффициент преломления изменяется заданным образом — от высокого у центральной оси до низкого на внешней стороне сердцевины. Оно чаще используется в локальных сетях и внутри зданий, так как больший диаметр сердцевины упрощает процесс оконцовки волокна. Кроме того в многомодовом волокне в качестве источников света можно использовать светодиоды, имеющие большие численные апертуры.

Следует отметить, что полоса пропускания многомодового волокна ограничена дисперсией, которая возникает из-за нескольких факторов. При этом ширина импульса цифрового сигнала по мере прохождения по волокну возрастает.

Межмодовая дисперсия. Поскольку моды света имеют различные пути, некоторые из них достигнут приемника раньше других. Этот эффект отчасти нивелируется за счет использования градиентного волокна, в котором коэффициент преломления в центре сердцевины больше. Чем выше коэффициент преломления, тем медленнее распространяется световой луч. В результате все лучи приходят к приемнику одновременно.

Хроматическая дисперсия. Скорость света в стекле зависит от коэффициента преломления, а тот в свою очередь — от длины волны света. Хотя светоизлучающий диод, и особенно лазер, настроены на определенную длину волны, они излучают достаточно широкий спектр. Короткий импульс, переданный источником, при прохождении по волокну увеличивается по ширине, поскольку различные цветовые составляющие первоначального импульса передаются на различных скоростях.

Использование лазеров для передачи по многомодовому волокну вызывает другие формы дисперсии.

Дисперсия дифференциальной моды. Этот эффект наиболее ощутим при передаче лазером по волокну 62,5/125, когда диаметр входящего луча меньше сердцевины. Это вызвано небольшими различиями коэффициента преломления сердцевины, приводящими к дифференциальной задержке, которая зависит оттого, в какой части сердцевины передается свет (рис. 1). Источники, дающие более широкий луч (светодиоды) "переполняют" сердцевину светом, что ведет к исчезновению дифференциальной дисперсии.

При передаче волны 1300 нм по многомодовому волокну на большие расстояния необходимо использовать специальный соединитель со смещенным вводом. Это позволяет компенсировать задержку дифференциальной моды.

Полимерное волокно дешевле и проще в установке. Однако оно не обеспечивает такую пропускную способность, как у медного кабеля категории 5 и поэтому в настоящее время не используется.

Новые стандарты
В табл. 2 приведена спецификация для GigaEthernet для кабелей с различной полосой пропускания, В будущем большие проблемы может вызвать необходимость применения технологии WDM (передача с разделением по длине волны), которая позволяет эффективнее использовать имеющиеся коммуникации. Если в дешевых кабелях удается использовать два канала в одном волокне, то в современных высококачественных волоконных системах на данный момент — до 80 каналов одновременно.

На рис. 2 приведен график, показывающий использование оптического волокна в магистралях локальных сетей в зданиях. (Статистика крупнейшего в Европе производителя кабелей компании BICC Brand-Rex в сетях Великобритании). Всего было исследовано 650 км кабелей от основных поставщиков. Из рис. 2 видно, что 82 % инсталлированного многомодового оптического кабеля имеют пропускную способность 160 МГц-км при длине волны 850 нм. Предел 220 м, установленный для передачи GigaEthernet, ограничивает возможность его применения на больших расстояниях в аэропортах, университетах и на крупных предприятиях.

При тестировании в Центральном исследовательском центре волоконно-оптического кабеля Millenium компании BICC Brand-Rex были получены более высокие характеристики, чем предусмотрено стандартом (для волокна 62,5/125 предел расстояния составляет 220 м на скорости 1 Гбит/с).

Методы увеличения пропускной способности волокна
Существует два способа увеличения пропускной способности проложенных оптических кабелей, предусматривающие использование:

• мультиплексора с разделением по длине волны — оптического смесителя, позволяющего пропускать по одному волокну одновременно несколько длин волн. Это мультиплексирование не решает проблему расстояния на гигабитных скоростях, поскольку не влияет на соотношение пропускная способность/расстояние. Стоимость оборудования для мультиплексирования сравнима с прокладкой нового кабеля;

• оборудования, увеличивающего полосу пропускания, — специальный тип соединительных кабелей (патч-кордов), позволяющих отбросить некоторые из оптических мод высшего порядка. Это увеличивает затухание и полосу пропускания. Для определения оптимального соотношения затухания и полосы пропускания сначала проводятся примерные расчеты, после чего каждое волокно тестируется.

Таблица 2

	Характеристики	Длина волны
Многомодовое волокно		850 нм	1300 нм
62,5/125 (дешевое)	Полоса пропускания	160 МГц-км	500 МГц-км
	Расстояние	220 м	550 м
62,5/125	Полоса пропускания	200 МГц-км	500 МГц-км
	Расстояние	275 м	550 м
50/125 (дешевое)	Полоса пропускания	400 МГц-км	400 МГц-км
	Расстояние	500 м	550 м
50/125	Полоса пропускания	500 МГц-км	500 МГц-км
	Расстояние	550м	550 м
Одномодовое волокно	Расстояние		5500 м

Возможно, какое-нибудь предприятие, уже проложившее большое количество кабеля, будет заинтересовано в увеличении его возможностей, однако для удовлетворения всех потребностей целесообразнее купить соответствующий тип оптического кабеля. Во всяком случае, такие затраты сравнимы по цене.

Прокладка кабеля
Технологии передачи данных развиваются очень быстро, и их замена может потребовать строительства новой кабельной системы. Для защиты капиталовложений при прокладке кабеля необходимо предусмотреть возможность его использования с другими технологиями.

Одним из способов учета постоянно увеличивающихся потребностей в полосе пропускания является применение кабеля, состоящего из уже используемых и свободных волокон, которые можно будет задействовать в будущем. Например, это может быть комбинация одномодового и многомодового волокна, дающая наилучшие результаты при минимальной цене.

Для снижения стоимости и наибольшей гибкости можно использовать заранее заложенные трубки с дальнейшей продувкой в них оптического волокна. Этот способ применяется в системе Blolite компании BICC Brand-Rex. Blolite состоит из пустых пластиковых трубок, прокладываемых внутри или между зданиями, т. е. там, где может понадобиться канал связи. Волокно продувается по определенным путям, а некоторые из трубок или направлений остаются пустыми. В дальнейшем при необходимости можно "додуть" новые волокна или заменить старое волокно и использовать его на новых направлениях или в новых комбинациях.

Утверждение стандарта GigaEthernet для оптического кабеля IEEE 802.3z накладывает более серьезные требования на производительность оптических кабелей, чем все предыдущие стандарты.

Многомодовое волокно до сих пор является наилучшей комбинацией цены и производительности в тех случаях, когда рассматривается общая стоимость системы. Преимущество волокон 50/125 — значительный выигрыш в полосе пропускания.

Сегодня имеется большой выбор кабелей, отличающихся как полосой пропускания, так и ценой. При покупке дешевого продукта следует учитывать, что он имеет ограниченные возможности и не может использоваться для высокоскоростных приложений, особенно в будущем при принятии новых стандартов. Стоит принять во внимание результаты расширенных тестирований кабелей в Европейском исследовательском центре и международную сертификацию, особенно при использовании на предельных расстояниях.

По материалам компании ИЦ "Телеком-Сервис"