Волоконно-оптические системы нашли применение примерно за десять лет до появления первых структурированных кабельных систем, поэтому оптические кабели изначально использовались при создании СКС. Традиционно оптическая среда передачи рассматривается как дорогое решение, оправданное там, где электропроводные кабели не обеспечивают требуемых параметров. Однако снижение стоимости на все составляющие оптических систем, включая оборудование, материалы, монтаж и эксплуатацию, делает их выбор конкурентоспособным даже по сравнению наиболее распространенными в настоящее время системами категории 5е. Существуют и ограничения субъективного плана, связанные с информированностью заказчиков о возможностях и доступности решений на основе оптоволокна.
Появление оптоволоконных решений
В качестве среды передачи оптоволокно начали использовать в 70-х годах. В первых ОВ системах использовались одномодовые кабели. Вторым поколением волоконно-оптических систем для коммерческого использования в начале 1980-х годов стали кабели 50/125. Они обеспечивали приемлемую дальность передачи данных для протоколов своего времени. Однако волокно 50/125 микрон не обеспечивало достаточную мощность сигнала для 10 Мбит/с на 2-километровых расстояниях.
Чтобы решить эту проблему, в 1985 было создано волокно 62,5/125 мкм. Оно было принято стандартами США как основной вариант кабелей для многомодовых систем, в то время как в Европе и мире основным типом волокна считалось волокно 50/125 микрон. Кабель 62,5/125 был очень популярным выбором со средины 80-х годов до конца 90-х годов для создания 10 мегабитных каналов длиной до 2 км.
В конце 90-х годов спрос на кабель 62,5/125 начал снижаться ввиду худших параметров полосы пропускания по сравнению с волокном 50/125 при равной стоимости.
При переходе на гигабитные системы преимущество кабелей 50/125 по сравнению с 62,5/125 микрон стало очевидным – увеличение длины канала для 1000Base-SX в два раза с 275 до 550 метров. Поэтому с конца 90-х годов выбор кабелей 50/125 был преобладающим.
Категории волоконно-оптических кабелей
Категории ОВ кабелей были приняты в 2002 году международной и европейской организациями стандартизации. Волокно 62,5/125 было определено как соответствующее категории OM-1, волокно 50/125 – ОМ-2, а волокно 50/125 с улучшенными параметрами как ОМ-3.
Современные стандарты СКС определяют четыре категории многомодовых (ОМ-1 – ОМ-4) и две категории одномодовых (OS-1, OS-2) волоконно-оптических кабелей. Европейские стандарты предусматривают также пластиковые и гибридные кабели, предназначенные для низкоскоростных промышленных сетей.
В настоящее время волокно категории OM-1, используется, главным образом, для модификации существующих сетей, если при этом сохраняется устаревшее оборудование. Категория ОМ-2 также устарела. Стандарт в 2006 году 10 гигабитных систем ограничил длину канала ОМ-1 в диапазоне 850 нм до 33 метров, а для волокна ОМ-2 в том же диапазоне - до 82 метров.
Оптическое волокно категории OM-3 было разработано для увеличения длины гигабитных каналов. Благодаря увеличению полосы пропускания оптоволоконный кабель OM-3 обеспечивает увеличение длины гигабитных каналов до 800 метров, а 10 гигабитных каналов – до 300 метров. Учитывая относительно невысокую стоимость многомодовой оптоэлектроники по сравнению с одномодовой, ОМ-3 обеспечивает эффективное ценовое решение в тех случаях, когда большая длина не требуется. Кабели ОМ-3 успешно применяются в магистральной подсистеме зданий и центрах обработки данных.
Кабель категории OM-4 базируется на новейших стандартах 2010 года передачи данных со скоростью 40 и 100 Гбит/с. Полоса пропускания волокна OM-4 в два раза больше, чем у OM-3 и на порядок превышает данный параметр у волокон ОМ-1 и ОМ-2. Это эффективный выбор для центров обработки данных, обеспечивающий выполнение требований завтрашнего дня и защиту инвестиций.
OS-1 или одномодовое волокно категории один имеет диаметр сердцевины 9 или 8 микрон и диаметр оболочки – 125 микрон. Малый диаметр сердцевины исключает появление траекторий движения отраженных лучей света или дополнительных мод кроме нулевой моды, распространяющейся вдоль оси волокна. Это на несколько порядков увеличивает диапазон частот одномодового волокна по сравнению с многомодовым оптоволокном. Недостатком является то, что малый размер сердцевины не позволяет использовать светодиоды, что увеличивает стоимость оборудования.
Применение недорогих лазеров поверхностного излучения VCSEL делает ценовые решения на одномодовом волокне сравнимыми с решениями на многомодовом волокне ОМ-3. Кроме того, одномодовый кабель имеет неоспоримые преимущества перед многомодовым по дальности передачи сигнала.
OS-2 – оптический одномодовый кабель категории два – отличается от OS-1 меньшим затуханием и выпускается только как имеющий соотношение диаметра сердцевины и оболочки 8/125 микрон. Категория OS-2 включена в новые международные и европейские стандарты 2007–2008 года.
Длина волоконно-оптических каналов
В отличие от симметричных электропроводных кабелей волоконно-оптические кабели можно считать зависимыми от приложений. Это означает, что такие факторы, как длина канала, скорость передачи данных и стоимость оборудования влияют на выбор типа кабеля. Спецификации стандартов определяют геометрические размеры сердцевины и оболочки волокна, и оптические параметры, такие как затухание и полоса пропускания. Важно иметь в виду, что это характеристики самого волокна, определяемые до того, как оно помещено в кабель.
Национальная (TIA – Telecommunications Industry Association – США) и международная организации стандартизации (ISO – International Organization for Standardization) используют эти параметры волокна, чтобы потом указать требования и определить категории волоконно-оптических кабелей.
Выбор категории ОВ кабеля полезно начать со сравнения параметров. На первый взгляд кажется, что одномодовые кабели являются наилучшим выбором для всех условий. Однако, требуется учесть затраты на оборудование и особенности реализации приложений. В частности, одномодовая оптоэлектроника рассчитана на более мощные и качественные источники света и может стоить в 2 - 4 раза больше, чем многомодовые лазеры. Кроме того, многомодовые кабели, как правило, проще оснащать разъемами в полевых условиях, чем одномодовые.
Наконец, для некоторых приложений, например 10GBase-LX4, используется четыре отдельных лазерных источника для передачи по одному волокну, а оборудование, использующее технологии мультиплексирования, значительно дороже, чем оптоэлектроника, обеспечивающая передачу на одной длине волны.
Хорошее эмпирическое правило состоит в том, чтобы считать многомодовый волоконно-оптический кабель наиболее экономически эффективным выбором для каналов длиной до 550 метров. Это правило справедливо для гигабитных приложений. Для 10 гигабитных протоколов длина канала уменьшается до 220-300 метров. Скорость 40 и 100 Гбит/с сокращает длину многомодового кабеля до 100-125 метров.
Таблица 1. Максимальная длина оптоволоконного канала в зависимости от категории кабеля для разных приложений, м
Конфигурация волоконно-оптических каналов
Благодаря увеличению длины каналов по сравнению со слаботочными кабелями, ОВ кабели целесообразно использовать для магистральных подсистем комплекса зданий, магистральных подсистем зданий и централизованных ОВ систем.
Магистральная подсистема комплекса включает кабели между зданиями. Она обеспечивает создание сети комплекса зданий с соединениями кабелей как вне, так и внутри зданий. Такие кабели имеют срок службы более 30 лет, поэтому важен правильный выбор долговечной среды передачи. Параметры кабелей и кабель-каналов внешних сетей содержатся в стандартах ANSI/TIA-758-А (США) и EN 50174-3 (Европа).
Магистральная подсистема здания включает кабели между точками ввода, телекоммуникационными помещениями, серверными в зданиях различного назначения. Магистральные кабели образуют топологию "звезда", и могут включать один (главный) или два (главный и промежуточный) уровня коммутации. Требования к магистральным кабелям содержатся в стандартах ANSI/TIA-568-C.0, ANSI/TIA-568-B.1, и ISO/IEC 11801 Ed2.0, EN 50173-1, EN 50174-1, EN 50174-2.
Централизованные волоконно-оптические системы могут быть развернуты в здании для обеспечения централизованного размещения оборудования. В этом случае, волоконно-оптические кабели обеспечивают прямые связи рабочей области с серверной. При этом, кабели централизованной системы требуется прокладывать через телекоммуникационные помещения на каждом этаже. В зависимости от способа прокладки в телекоммуникационных помещениях ОВ кабель либо оставляют неразрывным, предусматривая определенный запас, либо подключают на панели входящих и исходящих линий, которые коммутируют без использования активного оборудования.
При том, что максимально допустимая длина централизованного ОВ кабеля может составлять 300 метров, расстояние между телекоммуникационными помещениями на этажах и самыми удаленными точками рабочей области не должно превышать 90 метров. Требования к централизованным ОВ системам содержатся в стандартах ANSI/TIA-568-C.0, ANSI/TIA-568-B.1, ISO/IEC 11801 Ed2.0, EN-5073-1.
Горизонтальная подсистема разворачивается между телекоммуникационными помещениями и рабочей областью.
Горизонтальная кабельная подсистема включает в себя фиксированные и консолидированные кабели, панели, разъемы и кабели коммутации. Основной тип среды передачи – симметричные электропроводные кабели. Волоконно-оптические кабели могут быть также использованы в горизонтальной подсистеме, хотя здесь отсутствуют положения, позволяющие увеличить длину линий и каналов свыше пределов, определенных для слаботочных симметричных кабелей. Согласно требованиям стандартов максимальная длина фиксированного кабеля не должна превышать 90 метров, канала – 100 метров. Требования к горизонтальной кабельной подсистеме указанны в стандартах ANSI/TIA-568-C.0, ANSI/TIA-568-B.1, ISO/IEC 11801 Ed2.0, EN 50173-2 - EN 50173-5. В дополнение к этому, европейские стандарты определяют параметры горизонтальной подсистемы СКС для разных типов помещений: EN 50173-2 – для офисных помещений, 50173-3 – для промышленных помещений, EN 50173-4 – для жилых домов, EN 50173-5 для центров обработки данных.
Оптическое волокно
Оптическое волокно обеспечивает пропускание света благодаря высокой прозрачности и эффекту полного внутреннего отражения света. Волокно включает три элемента: сердцевину, оболочку и покрытие. Сердцевина состоит из стекла (точнее – кремния) и является той средой, через которую распространяется свет. Диаметр сердцевины составляет 8 или 9 микрон для одномодовых и 50 или 62,5 микрон для многомодовых волокон. Стекло сердцевины окружает второй слой стекла с меньшим показателем преломления, что обеспечивает отражение света обратно в сердцевину. Этот второй слой называется оболочкой и, независимо от типа волокна, имеет общий диаметр 125 микрон. У пластиковых и гибридных волокон размеры волокна составляют 230, 490 и 1000 микрон, однако в данном обзоре они не рассматриваются. Сочетание диаметра сердцевины и оболочки применяется для обозначения волокна, используемого для телекоммуникационных приложений, например, 8/125, 50/125 или 62,5/125. Размерность обозначается в микронах и в маркировке может не указываться.
Внешний слой волокна представляет собой защитный буфер в виде легко удаляемого покрытия. Это покрытие увеличивает диаметр волокна до 250 микрон, что примерно в три раза больше диаметра человеческого волоса. Полимерное покрытие, в частности, уретан акрилат, используется также для целей идентификации волокон цветом.
Оптические волокна собирают в кабели, что делает их более удобными в обращении, облегчает установку разъемов, обеспечивает защиту, увеличивает прочность и долговечность.
Типы волоконно-оптических кабелей
В зависимости от исполнения, различают кабели для внутренней или внешней прокладки, или универсальные.
Внутренние волоконно-оптические кабели подходят для помещений, включая вертикальные и запотолочные варианты прокладки. Для облегчения монтажа разъемов каждое волокно покрывают оболочкой из пластика толщиной 900 микрон. Волокна, усиливают арамидными нитями и помещают в общую огнестойкую термопластичную оболочку. Как правило, пучки из 6 или 12 волокон объединяют, добавляют центральный силовой элемент для фиксации волокон и обеспечения заданной формы. Внутренние ОВ кабели производят с числом волокон от 2 до 144.
Внешние ОВ кабели прокладывают между зданиями различными методами: открыто, в трубах и подземных кабелепроводах. Для защиты от влаги и перепадов температур волокна помещают в трубки, заполненные водозащитным гелем. В одной трубке размещают до 12 оптических волокон. 12-ти волоконный кабель включает одну заполненную гелем трубку с волокнами, водозащитную ленту вокруг трубки, арамидные волокна для придания прочности, помещенные в устойчивую к ультрафиолетовому излучению водозащитную пластиковую оболочку.
Для наружного кабеля с более чем 12 волокнами несколько трубок, как правило, по 6 или 12 волокон, собираются вместе с центральным силовым элементом. Эта сборка покрывается водозащитной лентой и помещается в такую же кабельную оболочку из полиолефинов.
Для дополнительной механической защиты или защиты от грызунов применяют гофрированный алюминий, стальное армирование или двойную оболочку. Число волокон, как правило, составляет от 12 до 144.
Универсальные волоконно-оптические кабели совмещают ультрафиолетовую защиту и водонепроницаемость внешних кабелей в сочетании с определенным уровнем огнезащиты, предъявляемой для внутренних кабелей.
В большинстве стран универсальный кабель допускается для внутренней прокладки без ограничений. В США, где определяются дополнительные требования пожаробезопасности к запотолочным и вертикальным кабелям, максимально допустимая длина универсального кабеля в здании не должна превышать 15 метров.
Конструкция универсальных кабелей подобна конструкции внешних, за тем исключением, что волокна могут размещаться либо в свободных трубках, либо в плотной оболочке диаметром 900 микрон. При равном числе волокон универсальные кабели в свободной трубке имеют меньший внешний диаметр по сравнению с кабелями с волокнами в плотном буфере. В практическом плане, волокна в плотном буфере проще оснащать разъемами, поскольку отсутствует водозащитный гель.
Волоконно-оптические соединения
В отличии от соединения типа гнездо-штекер, которое обеспечивает электрические подключение симметричных витых пар, для прохождения света требуется точно совместить оси двух оптических волокон. Оптическое соединение включает два разъема, совмещенных и зафиксированных с помощью соединителя или адаптера. Качество оптического совмещения решающим образом зависит от точности диаметра отверстия и центровки ферулового наконечника разъема, внутри которого находится волокно, и направляющих адаптера. Отверстие в феруловом наконечнике получают с использованием высокоточных производственных процессов, чтобы гарантировать положение и фиксацию оптического волокна. Прецизионная точность выравнивания направляющих адаптера требуется для точного выравнивания и совмещения феруловых наконечников.
Хотя керамические адаптеры дороже, чем металлические или пластиковые, они обеспечивают более строгие допуски и не так чувствительны к колебаниям температуры, что обеспечивает очень малые потери мощности световых импульсов на разъемах. Точность допусков становится особенно критичной при уменьшении диаметра сердцевины. Например, смещение оси двух волокон с диаметром сердцевины 62.5 микрон на 4 микрона приводит к потере 13% мощности сигнала в соединении. Это же смещение в 9-ти микронном сердечнике одномодовых волокон могло бы привести к почти полной потере энергии света.
Типы оптических разъемов
Волоконно-оптические разъемы выпускаются в различных вариантах. Традиционные волоконно-оптические разъемы представлены типами SC и ST. Эти первые типы разъемов, определенные телекоммуникационными стандартами США и Международной организации стандартизации.
Разъем ST выполнен как металлический цилиндр с байонетным соединением. Цилиндр поворачивается по направляющей и защелкивается в адаптере. Разъем ST предназначен только для совмещения одного волокна с другим одиночным волокном (симплекс).
Разъемы SC обеспечивают быструю фиксацию без поворота и могут быть использованы для соединения двух оптических волокон одновременно (дуплекс). Разъемы SC рекомендованы стандартами для новых систем благодаря возможности дуплексных соединений.
Как ST, так и SC можно устанавливать методом полировки в полевых условиях, используя эпоксидный клей для фиксации волокна и полировку для устранения дефектов скола волокна, и совмещения плоскости волокна с торцевой поверхностью ферулового наконечника.
Разъемы с малым форм-фактором относятся к семейству волоконно-оптических разъемов, обеспечивающих двойную плотность соединений на панелях по сравнению с традиционными решениями. Наиболее распространены интерфейсы LC и MT-RJ. Оба интерфейса имеют дуплексную конфигурацию, совмещаемые формы и размеры, сопоставимые с размерами интерфейса RJ-45. Разъем MT-RJ имеет совмещаемые размеры штекера и гнезда такие же, как и разъем RJ-45.
Разъем LC можно устанавливать в полевых условиях с использованием эпоксидно / полировочного метода. Разъем MT-RJ можно устанавливать в полевых условиях только при помощи сплайсов.
Основное различие между оптическими разъемами MT-RJ и LC состоит в свойствах ферула. Разъем LC обеспечивает достаточно жесткие допуски и выпускается в вариантах для одномодовых и многомодовых волокон, а разъем MT-RJ рекомендуется только для соединения многомодовых волокон.
Новый тип ОВ разъемов это многоволоконные разъемы MPO, определенные европейским стандартом EN 61754-7 1996 года и дополнениями к нему 1999 и 2003 года, а также американским стандартом EIA/TIA-604-5 1997 года. Существует, как правило, 4-х, 8-ми, 12-ти или 24-х волоконные разъемы. До 12 оптических волокон размещаются в один ряд, 24 волокна – в два ряда.
Однако интерфейс МРО обладает конструктивными недостатками, приводящими к повышенной величине затухания по сравнению с LC или SC. Чтобы устранить эти проблемы, компания US Conec, США, запатентовала свой вариант разъема под торговой маркой MTP. Разъем МТР обеспечивает затухание на уровне стандартных интерфейсов LC, SC. Другое преимущество разъемов MTP заключается в возможности установки или удаления центрирующих штырьков в полевых условиях, что позволяет менять тип разъема – штекер или гнездо. Это решает проблему ошибок, связанных с учетом типа совмещения при заказе кабелей.
В новых установках рекомендуется устанавливать кабели с разъемами MTP. Появление новых технологий, таких как 40GBase-SR4 и 100GBase-SR10, использующие одновременно 8 и 20 волокон соответственно, расширяют область применения многоволоконных разъемов. Кабели с двумя разъемами MPO/MTP на концах используют как магистральные. Короткие кабельные сборки с разъемом МПО/MTP на одном конце и 6-12 дуплексными разъемами типа LC или SC на другом обеспечивают подключение магистральных кабелей к оптическим панелям.
Методы установки разъемов
Наиболее распространенный вариант установки разъемов в полевых условиях – метод ручной полировки. Однако новый тип разъемов MPO/MTP невозможно устанавливать в полевых условиях. В некоторых случаях, например, при создании ЦОД с большим числом линий в сжатые сроки, выбор более дорогостоящего решения с разъемами MPO/MTP может оказаться предпочтительным.
Плюсы и минусы этих вариантов состоят в следующем.
Метод ручной полировки требует наименьших затрат на кабельные системы и оборудование для установки разъемов. Однако он требует больше времени и более квалифицированных монтажников.
Метод сплайсов требует меньше времени и более низкую квалификацию исполнителей, однако, разъемы и оборудование стоят дороже. Кроме того, сплайсы вносят дополнительное затухание, бюджет которого тем меньше чем выше скорость передачи данных.
Метод сварки позволяет обеспечить очень малое затухание на сварных соединениях, но требует применения дорогостоящего оборудования.
Метод подключения кабелей с заводскими разъемами является альтернативой для установки разъемов в полевых условиях и позволяет в несколько раз уменьшить время монтажа. Кабели с заводскими разъемами могут оснащаться любыми типами разъемов - SC, ST, LC, MT-RJ или MPO/MTP. При этом тщательное планирование является критически важным аспектом, особенно в сроках поставки и расчете требуемой длины кабелей.
По материалам издания Cabling Installation and Maintenance и учебного курса «Среда передачи – оптоволокно» ООО «Эколан Тек».