Оптоволоконные кабели

Оптоволоконные кабели аналогичны коаксиальным, за исключением оплетки. На илл. 2.6 (а) показано одиночное волокно сбоку. В центре расположен стеклянный сердечник, через который распространяется свет. В многомодовых оптоволоконных кабелях диаметр сердечника обычно составляет около 50 мкм — это примерная толщина человеческого волоса. В одномодовых оптоволоконных кабелях диаметр сердечника составляет от 8 до 10 мкм.

Илл. 2.6. (а) Вид одиночного волокна сбоку. (б) Трехжильный кабель с торца

Сердечник окружен стеклянным покрытием с более низким, чем у сердечника, коэффициентом преломления. Таким образом, свет не выходит за пределы сердечника. Далее следует тонкая пластиковая оболочка, защищающая стеклянное покрытие. Оптические волокна обычно группируются по несколько штук и защищаются внешней оболочкой. На илл. 2.6 (б) представлен кабель с тремя волокнами.

Наземные линии оптоволоконных кабелей обычно укладываются в земле на глубине до метра, где их иногда повреждают экскаваторы или грызуны. У побережья трансокеанские оптоволоконные кабели укладываются в специальные желоба с помощью своего рода морского плуга. На глубоководье они просто лежат на дне, где иногда получают повреждения от рыболовных траулеров или подвергаются атакам гигантских кальмаров.

Оптоволоконные кабели могут соединяться тремя различными способами. Во-первых, они могут оканчиваться коннекторами и включаться в оптические розетки. На коннекторах теряется от 10 до 20 % света, зато упрощается изменение конфигурации системы. Во-вторых, они могут сращиваться механически: два кабеля с аккуратными срезами укладываются вместе в специальную соединительную втулку и фиксируются на месте. Для лучшего выравнивания через точку сопряжения пропускается свет и производятся небольшие сдвиги для поиска максимально сильного сигнала. Механическое сращивание занимает у квалифицированного специалиста примерно 5 минут, в результате чего потери света составляют около 10 %. В-третьих, можно произвести сварку (сплавление) двух кусков оптоволокна в один. Сваренный кабель почти ничем не хуже целого, однако небольшое затухание происходит даже в этом случае. При всех трех видах соединений в точке стыковки свет может отражаться, а отраженная энергия создает помехи сигналу.

Для генерации световых сигналов обычно используются две разновидности источников света: светодиоды (Light Emitting Diodes, LED) и полупроводниковые лазеры. Их свойства, как показано на илл. 2.7, различны. Длину волны можно варьировать путем вставки между источником света и оптоволокном интерферометра Фабри — Перо (Fabry — Perot) или интерферометра Маха — Цендера (Mach — Zehnder). Интерферометр Фабри — Перо представляет собой простой резонатор, состоящий из двух параллельных зеркал. Свет падает перпендикулярно зеркалам. Длины волн, которые укладываются внутри резонирующей полости целое число раз, исключаются. Интерферометр Маха — Цендера разделяет свет на два луча, которые проходят немного разное расстояние. На выходе они снова объединяются, причем в фазе окажутся только лучи с определенными длинами волн.

Характеристика

LED

Полупроводниковые лазеры

Скорость передачи данных

Низкая

Высокая

Тип оптоволокна

Многомодовое

Многомодовое или одномодовое

Расстояние

Короткое

Длинное

Срок службы

Долгий

Короткий

Чувствительность к температуре

Незначительная

Существенная

Стоимость

Низкая

Высокая

Илл. 2.7. Сравнение полупроводниковых диодов и светодиодов как источников света

Принимающая сторона оптоволоконного кабеля представляет собой фотодиод, генерирующий электрический импульс, когда на него попадает свет. Время реакции фотодиодов, преобразующих оптический сигнал в электрический, ограничивает скорость передачи данных примерно до 100 Гбит/с. Тепловые помехи также являются проблемой, поэтому световой импульс должен быть достаточно мощным, чтобы его можно было уловить. Усиливая мощность излучения световых импульсов, можно радикально снизить количество ошибок передачи данных.

Сравнение оптоволокна и медных проводов

Любопытно сравнить оптоволокно и медные провода. Преимуществ у оптоволокна немало. Для начала, полоса пропускания у него намного шире, чем у медного кабеля. Одного этого достаточно, чтобы оправдать его использование в высокоскоростных сетях. Благодаря слабому затуханию требуется только один повторитель на каждые 50 км междугородних линий, что позволяет сэкономить немалые средства, в то время как для медных проводов повторитель необходим каждые 5 км. На оптоволоконные кабели не влияют скачки напряжения, электромагнитные помехи и перебои в подаче электроэнергии. Также они не боятся коррозионных химических примесей в воздухе, что играет важную роль в суровых условиях на производстве.

Но что удивительно, телефонные компании любят оптоволоконные кабели совсем по другим причинам — они легкие и тонкие. Многие кабель-каналы давно заполнены, и новые провода туда не помещаются. Замена всех медных проводов на оптоволокно позволила бы освободить место, а медные провода можно выгодно сдать на переработку — медь в них отличного качества. Кроме того, оптоволокно намного легче меди. Тысяча витых пар длиной в 1 км весит 8000 кг. Пара оптоволоконных кабелей с большей пропускной способностью весят всего 100 кг, что дает возможность отказаться от дорогостоящих систем механических опор. При построении новых маршрутов оптоволокно с легкостью выигрывает у медных проводов за счет гораздо более низкой стоимости прокладки. И наконец, оптоволокно не дает утечек света, а значит, затрудняет несанкционированные подключения. Это дает хорошую защиту от перехвата информации.

С другой стороны, оптоволокно — менее привычная технология, требующая специальных навыков, которыми обладают не все инженеры. При этом его очень легко повредить, просто слишком сильно изогнув. Кроме того, поскольку оптическая передача данных по своей природе является однонаправленной, то для двустороннего обмена данными необходимы два кабеля или две полосы частот в одном кабеле. Наконец, оптоволоконные блоки сопряжения дороже электрических. Тем не менее будущее всего стационарного обмена данными на длинных расстояниях, безусловно, за оптоволокном. Подробную информацию об оптоволоконных кабелях и сетях на их основе можно найти в работе Пирсона (Pearson, 2015).

16 Они же «антенны Герца». — Примеч. пер.

2.2. Беспроводная передача данных

На сегодняшний день множество людей использует беспроводную связь при работе с разными устройствами, от ноутбуков и смартфонов до «умных» часов и холодильников. Все эти устройства передают данные друг другу и конечным точкам сети по беспроводным каналам.

Следующие разделы посвящены общим вопросам беспроводной передачи данных. Для нее существует множество важных сценариев применения (помимо выхода в интернет для пользователей, желающих побродить по Всемирной паутине, лежа на пляже). Иногда беспроводная связь удобнее даже для стационарных устройств, например, если из-за рельефа местности (горы, джунгли, болота и т.п.) провести оптоволоконный кабель к зданию затруднительно. Современная беспроводная связь возникла в 1970-х благодаря проекту профессора Нормана Абрамсона (Norman Abramson) из Гавайского университета. Стоит отметить, что гавайских пользователей от вычислительных центров отделял Тихий океан, а телефонная система в то время оставляла желать лучшего. Мы обсудим проект Абрамсона, ALOHA, в главе 4.

2.2.1. Спектр электромагнитных волн

Электроны при движении создают электромагнитные волны, способные распространяться в пространстве (даже в вакууме). В 1865 году британский физик Джеймс Клерк Максвелл (James Clerk Maxwell) высказал гипотезу о существовании этих волн, а в 1887 году они впервые были зафиксированы немецким физиком Генрихом Герцем (Heinrich Hertz). Число колебаний волны в секунду, измеряемое в герцах, называется ее частотой (frequency), f. Расстояние между двумя последовательными максимумами (или минимумами) называется длиной волны (wavelength) и традиционно обозначается греческой буквой λ (лямбда).