Свет по шнурку Оптоволокно – что такое, как работает и зачем нужно

Ethernet появился на свет в далеком 1973 году, когда скорость передачи данных в компьютерных сетях достигала максимальной отметки в 2,94 Мбит/с. Сейчас это кажется смешным, но тогда хватало. Сайты были маленькими, контент – легким, клиенты локальными, а кабели – витыми.

Сейчас витой парой разводится разве что пресловутая «последняя миля», да и то она все чаще уступает место оптической линии GPON, оставив меди только «последний метр» – Ethernet-кабель от роутера до компьютера.

Почему сеть выбрала «светлую сторону»?

Да будет свет!

Чем же была плоха старая добрая медная жила? Медный провод исправно передавал информацию, начиная с первого телеграфного кабеля, и вдруг стал не мил. Что случилось?

Интенсивное развитие технологий приводит к тому, что однажды они упираются в физический предел. Последовательное развитие на этом прекращается, и нужен качественный скачок. Об это поломался, например, знаменитый Закон Мура: «Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца». Когда размер транзистора становится сравним с размером атома, приходится придумывать что-то еще. То же самое случилось и с передачей информации по проводам.

Дело в том, что скорость передачи информации зависит от частоты несущей электромагнитной волны. Чем выше частота несущей, тем больше скорость передачи. Если нужно больше мегабит в секунду – изволь поднимать частоту. Несущая частота Ethernet десятки и сотни мегагерц, WiFi, Bluetooth – несколько гигагерц. И вот тут мы подходим к физическому пределу: полупроводниковая электроника имеет потолок рабочих частот, связанный с предельной скоростью переключения pn-перехода транзистора. Самый быстрый полупроводниковый транзистор работает на частоте около 1ТГц, но для этого его нужно охладить почти до кельвиновского нуля. В общем, в практическом применении выше гигагерцового диапазона не прыгнуть. И тут случился качественный скачок, и обеспечил его лазер.

Световой шнурок джедая

Первый же газовый лазер показал теоретическую возможность создания когерентного источника электромагнитных волн световой частоты. Частоты ближнего инфракрасного диапазона – сотни ТГц, частота несущей выше «меднопроводной» на 4 или 5 порядков, соответственно возрастает и теоретическая скорость передачи информации. Осталось как-то передать свет от лазера на приемник, когда они не находятся в прямой видимости в вакууме. И тут на помощь снова приходит физика – точнее, эффект полного внутреннего отражения (ПВО).

Если свет выходит из более плотной оптической среды (стекло) в менее плотную (воздух), то при некотором угле падения весь свет отразится обратно. Поэтому если сделать из стекла тонкий стержень и запустить свет по нему, сам стержень светиться не будет, весь свет войдет в один торец и выйдет из другого. Если сделать стрежень длинным и гибким, при этом не изгибая его выше критичного радиуса ради сохранения эффекта ПВО, то получается такой «провод для света». Световоды не имеют зеркального покрытия, как многие думают, – эффект полного внутреннего отражения справляется сам. Дальше все зависит от качества оптического материала, которым определяется затухание сигнала. Первые стеклянные световоды имели затухание около 1000дБ/км, первые коммерческие волокна – около 20дБ/км (оптические волокна производства фирмы Corning появились в 1970-м году). Сейчас затухание гораздо меньше, но остаются потери на соединениях, сварках, неоднородностях, мультиплексорах и т. п., поэтому бесконечную линию не сделать. Сегодня практическая длина одного сегмента ВОЛС (волоконно-оптическая линия связи) может достигать 100 км, но для этого приходится постараться.

Бесконечное стекло

Волокна телекоммуникационных кабелей – то самое «стекловолокно» – изготавливаются из чистого кварцевого стекла, с химической формулой SiO2. Вообще-то говоря, оконные стекла от него в этом не отличаются, разница только в количестве примесей. Больше примесей – больше рассеяния света, сильнее затухание сигнала, меньше расстояние передачи. В оконных стеклах, например, присутствуют антиУФ-присадки: Na2C03, К2СО3, СаС03, – которые блокируют ультрафиолет (поэтому загореть, принимая солнечные ванны через окно, нельзя). А так все просто – кварцевый песок плавят, формируют из него пустотелую трубку (преформу), которую затем вытягивают в волокно – при прохождении через башни вытяжки происходит постепенное утоньшение нити до 125 мкм в толщину. Затем нить охлаждают, пропускают через ванну с полимером, образующим защитное покрытие, красят, собирают в пучки, которые запаивают в полиэтилен – и кабель готов.

Производят оптические волокна по всем миру. Признанные гиганты – Fujikura и Corning (которые делают Gorilla Glass), также известны Draka, Fibercore, Nufern, Samsung, Ceramoptec, OFS, NKT Photonics и другие. Производится оптоволокно и в России, однако в текущей ситуации в явно недостаточных объемах.

Сейчас отечественное производство наращивается ударными темпами. Завод «Костромакабель» намерен производить 30 тыс. км кабеля в год, мордовский завод «Оптиковолоконные системы» способен производить 4 млн км оптоволокна в год, ориентировочно это 300 тыс. км кабеля в год, предприятие «Сарансккабель-оптика» за время своего функционирования изготовило около 6 млн км волокна, что эквивалентно 450 тыс. км кабеля. Однако это не так много, как кажется, – в стране 400 тыс. км волоконно-оптических линий передачи эксплуатируются более 20 лет и в ближайшей перспективе подлежат замене. Также одной из проблем импортозамещения является использование для производства импортных преформ.

Все технологии, необходимые для производства собственного оптоволокна по полному циклу в необходимых количествах в стране есть, просто ранее закупать импортное было дешевле.

Достоинства и недостатки

Любое технологическое решение имеет свои плюсы и минусы. Начнем с плюсов оптики.

Плюсы

Высокая пропускная способность оптоволокна – именно ради него кабели «перешли на светлую сторону», и это вполне оправдывается. Компания Infinera, производитель оборудования для оптоволоконных коммуникационных сетей, вместе с Windstream, поставщиком информационных услуг, смогли достичь скорости передачи данных в 800 гигабит в секунду. При этом был задействован один сегмент оптоволоконной сети, которая идет из Сан-Диего и Финикс на расстоянии 730 км. Еще более впечатляет результат на магистральных трансокеанских сборках – компания Google построила трассу США – Япония с максимальной скоростью передачи в 600 Тбит/сек.

Меньшие потери мощности и возможность передачи данных на большие расстояния – затухание сигнала в оптической линии меньше, чем в «классической» медной.

Устойчивость к электромагнитным наводкам. Нет электромагнитной активности – нет технологических помех. Еще один плюс – нельзя считать с кабеля передаваемую информацию через контроль излучения. Потому что электромагнитной активности при ее передаче нет.

Оптическая линия тоньше и легче, ее проще прокладывать.

Стекло гораздо дешевле металла и не окисляется.

Но есть, конечно, и свои недостатки.

Минусы

Более сложный монтаж, требующий специального оборудования. При неправильной прокладке при сгибе провода оптоволокно может сломаться или под углом сигнал потеряет интенсивность.

Хотя само волокно дешевле, монтаж его дороже. Поэтому на коротких отрезках все еще используют медь.

«Скрутить и замотать изолентой» при обрыве тоже не получится, обслуживание оптической коммуникаций требует повышенной квалификации работников.

Относительная хрупкость и малая стойкость к повреждениям.

Выводы

На сегодня оптическая цифровая связь безальтернативна. Все магистральные провайдеры заменили свои медные коммуникации на высокоскоростную оптику, и даже «последняя миля» спешно заменяется на нее же. Это позволило увеличить пропускную способность канала, необходимую для передачи интернет-трафика, организации IP-телефонии, телевидения и выделенных сервисов.

Помимо этого, оптоволокно применяется в таких сферах, как промышленные системы управления, авиационные системы, военные системы командования, управления и связи.

Возможно, однажды человечество упрется в физический предел и в этой технологии, но пока у нес нет столько данных, чтобы их нельзя было оперативно передать по оптической линии связи.

Впрочем, если что – квантовый интернет на подходе!