RU
  • русский
  • иврит
  • игбо
  • идиш
  • индонезийский
  • ирландский
  • исландский
  • испанский
  • итальянский
  • йоруба
  • казахский
  • каннада
  • панджаби
  • персидский
  • польский
  • португальский
  • румынский
  • себуанский
  • сербский
  • сесото
  • сингальский
  • словацкий
  • словенский
  • каталанский
  • китайский
  • китайский
  • корейский
  • креольский
  • кхмерский
  • лаосский
  • латынь
  • латышский
  • литовский
  • македонский
  • сомали
  • суахили
  • суданский
  • тагальский
  • таджикский
  • тайский
  • тамильский
  • телугу
  • турецкий
  • узбекский
  • украинский
  • маалагасийский
  • малайский
  • майялам
  • мальтийский
  • маори
  • маратхи
  • монгольский
  • немецкий
  • непали
  • нидерланский
  • норвежский
  • урду
  • финский
  • французский
  • хауса
  • хинди
  • хмонг
  • хорватский
  • чева
  • чешский
  • шведский
  • эксперанто
  • эстонский
  • эванский
Учебный центр
Перспективы полимерных световодов в СКС
Андрей Семенов
13.01.2004

Появление новых информационных сервисов и модернизация традиционных оказывают мощное стимулирующее воздействие на рост объемов передачи информации. Это заставляет искать и внедрять в широкую повседневную практику новые технические средства для более эффективного построения сетей и распределения информационных потоков. Одно из таких средств — системы передачи информационных сигналов, линейный тракт которых построен на основе полимерных световодов.


Исследования полимерных оптических волокон для использования в составе систем оптической связи начали активно проводиться с конца 80-х гг. прошлого столетия в лабораториях нескольких ведущих телекоммуникационных компаний и основывались на более ранних работах, в первую очередь, химического концерна DuPont. Наибольшего прогресса в этом направлении добились японские компании Mitsubishi Rayon, Toray Industries и Asahi Glass, их разработки в области материалов и технологических процессов широко используются отраслью в процессе серийного выпуска продукции.

Новый тип среды передачи позволяет достаточно эффективно передавать большие объемы информации, что явилось объективной предпосылкой внедрения техники полимерных световодов в широкую инженерную практику. Разработанные для этого технические средства — кабели различного назначения, несколько видов разъемов и технологий их монтажа, активного оборудования различных сетевых стандартов и тестирующих приборов — делают возможным создание полноценной линии связи.

Оптические и эксплуатационные характеристики

Полимерный световод (Plastic Optical Fiber, POF) для оптического диапазона длин волн по своей структуре аналогичен кварцевому волокну и конструктивно представляет собой классический диэлектрический волновод с круглым поперечным сечением. Его сердцевина из прозрачного материала окружена оболочкой из материала с меньшим показателем преломления с целью создания условий полного внутреннего отражения. В настоящее время нормативные документы японского института по стандартизации JIS в целях унификации рекомендуют применение ступенчатых полимерных световодов со следующими номинальными значениями диаметров сердцевины и оболочки: 980/1000, 735/750 и 485/500. Аналогичная классификация принята на международном уровне и используется МЭК. Согласно стандарту IEC 60793-2, эти световоды носят наименование волокон классов А4а—А4с, соответственно. Кроме указанных на практике встречаются волокна и других типоразмеров, однако наибольшее распространение получили световоды 980/1000.

Технологическая схема производства полимерных волокон не отличается от технологии изготовления кварцевых световодов и в большинстве случаев реализуется в два этапа. На первом различными способами производится формирование стержневой заготовки. На втором — вытяжка из нее волокна в башне. Затем, в рамках единого технологического цикла, на волокно наносится защитное покрытие, в качестве которого чаще всего применяются такие традиционные для кабельной техники материалы, как полиэтилен и поливинилхлорид, а при необходимости — безгалогенные малодымные составы. Достигнутый технический уровень позволяет в промышленных условиях осуществлять серийный выпуск полимерных световодов длиной до 500 м.

В качестве материала сердцевины используется ряд полимеров с хорошей прозрачностью; наиболее же перспективны, с точки зрения получения низкого уровня потерь полистирол, поликарбонат и полиметилметакрилат (РММА). Наилучшими характеристиками по этому критерию обладает полистирол, однако из-за высокой хрупкости возможности его использования для изготовления световодов оптических кабелей весьма ограничены. Поликарбонат имеет повышенное затухание, но сохраняет свои оптические и механические свойства при температурах вплоть до 130—1400°С. Благодаря этому изготовленные из него световоды обеспечивают максимальную эффективность в тех областях, где требуются линии длиной не более нескольких метров, причем они должны эксплуатироваться при повышенных температурах, как, например, компьютерные системы управления двигателями и прочее бортовое оборудование легковых автомобилей представительского класса. Полиметилметакрилат за счет своей хорошей пластичности и умеренных значений коэффициента затухания на рабочих длинах волн является наиболее подходящим материалом для кабелей в линейной части информационно-вычислительных систем офисного и промышленного назначения.

В процессе серийного производства для изготовления полимерных световодов используется преимущественно полиметилметакрилат с типовым значением показателя преломления n = 1,49. Вследствие большого диаметра сердцевины защитное покрытие волокна практически не оказывает влияния на параметры световода как направляющей системы электромагнитных колебаний. Поэтому толщина оболочки может быть уменьшена по сравнению с кварцевыми световодами как в абсолютных, так и в относительных величинах до 7—10 мкм. В качестве материала оболочки применяются различные фторированные полимеры с n = 1,42—1,46. Минимальная рабочая температура серийных волокон, изготовленных из полиметилметакрилата, составляет –20°С, максимальное значение этого параметра достигает 70—85°С. На время не свыше 1 мин температура может повышаться даже до 100°С без ущерба для оптических и механических характеристик изделия. Таким образом, рабочий температурный диапазон материала вполне достаточен для массового использования в офисной и отчасти промышленной сферах.

Подобно кварцевым волокнам первого поколения, на спектральной характеристике затухания полимерного световода имеются окна прозрачности вследствие наличия пиков поглощения резонансного характера на связях СH, в которых его погонное затухание достигает локального минимума (см. Таблицу 1). По аналогии с кварцевыми световодами окнам прозрачности видимого диапазона длин волн иногда присваиваются номера — с первого по третий. Современное сетевое оборудование ориентировано исключительно на окно 650 нм, так как в этом случае в передатчиках устанавливаются хорошо отработанные в серийном производстве светодиодные излучатели, которые в массовом масштабе применяются в бытовых проигрывателях DVD. Освоение перспективных диапазонов 520 и 570 нм сдерживается отсутствием дешевых быстродействующих источников света с достаточно большой мощностью излучения.

Таблица 1.

Центральные длины волн окон прозрачности полимерных волоконных световодов на основе РММА.

Длина волны (нм) 520 570 650 780
Номер окна прозрачности 1 2 3 -
Цвет оптической несущей Зеленый Желтый Красный ИК
Погонное затухание (дБ/км) 100 70 150 600

Еще одной особенностью полимерного волокна, в сравнении с кварцевыми световодами, является относительно небольшая ширина третьего окна прозрачности 650 нм. Это обстоятельство оказывает непосредственное влияние на выбор схемных решений оптическо-электронных трансиверов. Кроме того, ширина окна соизмерима с шириной спектра излучения светодиода, вследствие чего большая крутизна спектральной характеристики коэффициента затухания, примерно 7 дБ/(кмхнм), выдвигает особые требования к температурной стабильности спектральной характеристики излучения светодиодных оптических передатчиков сетевого оборудования.

Отметим, что некоторые типы полимерных материалов за счет смещения явления поглощения в длинноволновую часть спектра достаточно эффективно работают в спектральном диапазоне 800х1300 нм, т. е. на длинах волн, традиционно используемых в технике связи с кварцевыми световодами. Основное преимущество их применения заключается в возможности получения меньших потерь и наличии хорошо отработанной оптическо-электронной элементной базы.

Разновидности полимерных световодов

Из полимера могут быть изготовлены как многомодовые, так и одномодовые световоды. Исторически одномодовые волокна появились раньше, однако для широкой инженерной практики они уже не представляют интереса, поскольку заметно уступают своим кварцевым аналогам по критически важному параметру — величине вносимых потерь. Кроме того, в случае перехода на одномодовую технику теряются основные достоинства полимерных конструкций, а именно — больший диаметр сердцевины и простота изготовления разъемных соединителей.

Многомодовые полимерные волокна имеют следующие основные разновидности:

  • обычные, или высокоапертурные (High NA) ступенчатые (в некоторых публикациях они называются стандартными); эта разновидность световодов имеет числовую апертуру NA ≈ 0,5, и коэффициент широкополосности, как правило, обычно не свыше 40 МГц x 100 м;
  • низкоапертурные (Low NA) ступенчатые с числовой апертурой NA ≈ 0,25-0,3 и коэффициентом широкополосности около 100 МГц x 100 м;
  • градиентные с NA ≈ 0,17-0,3 и коэффициентом широкополосности вплоть до 200 МГц x км и даже более.

В случае перехода на параболические профили показателя преломления в сочетании с использованием новых материалов возникает потенциальная возможность резкого улучшения характеристик полимерных световодов. Так, Lucent Technologies еще в 1999 г. продемонстрировала практическую возможность передачи информационного потока со скоростью 10 Гбит/с на расстояние свыше 100 м по оптическому кабелю с полимерными волокнами типа Lucina. Использованный в эксперименте световод при диаметре сердцевины 120 мкм имел коэффициент затухания менее 20 дБ/км на рабочей длине волны 1300 нм. Для изготовления его световедущей части применялся фторированный полимер CYTOP, разработанный компанией Asahi Glass. Массовому внедрению этой техники препятствует ее чрезвычайно высокая стоимость.

Известны также опытные образцы многослойных и многоканальных полимерных волокон. Цель разработок заключалась в увеличении коэффициента широкополосности за счет снижения числовой апертуры без уменьшения площади поперечного сечения сердцевины и прямо связанной с ней эффективности ввода излучения. Многослойное волокно, у которого ступенчатый профиль лестничного типа был сформирован за счет соответствующего подбора показателей преломления внутренней (одной или нескольких) и внешней оболочек (multi step index и, как частный случай двух оболочек, double step index), позволяет получить числовую апертуру NA ≈ 0,3 и коэффициент широкополосности 100 МГц х 100 м. Волокно данной структуры было разработано в 1999 г. компанией Mitsubishi Rayon и представляет собой изделие переходного типа, объединяющее основные черты и свойства ступенчатых и градиентных световодов. Многоканальный полимерный световод (multi core step index) выполнен по схеме регулярного оптического жгута с сердечником в виде монолитной сборки из нескольких круглых двухслойных светопроводящих элементов с диаметром сердцевины около 100 мкм. Такая конструкция при аналогичных с предыдущими изделиями параметрах числовой апертуры и широкополосности позволяет на порядок снизить минимально допустимый радиус изгиба волокна и довести его примерно до 3 мм.

Еще одним преимуществом применения полимерных световодов в качестве среды передачи информации является то, что излучение работающих с ними оптических передатчиков лежит в области видимого спектра. При соответствующем дизайне рабочей части оптического разъема это свойство позволяет осуществлять индикацию активности порта без привлечения дополнительных технических средств.

Системные решения и коммутационное оборудование

С начала 90-х гг. прошлого века полимерные волокна широко используются для передачи информации — главным образом при построении систем автоматизации технологических процессов. Их применение в СКС не противоречит принципам построения структурированной кабельной проводки и позволяет увеличить ее функциональные возможности, что, в свою очередь, способствует расширению перечня поддерживаемых сервисов. Впрочем, до последнего времени оно ограничивалось организацией коротких соединительных линий между шкафами в пределах одного технического помещения при отсутствии высоких требований в отношении скорости передачи.

Первым шагом в направлении полноценного внедрения полимерных волокон непосредственно в область СКС стало появившееся в 2003 г. решение RCC45 швейцарской компании Reichle & De-Massari. Предложенный ею комплекс охватывает кабельную и коммутационную часть проводки. Коммутационное оборудование реализовано на основе стандартного для СКС Freenet компании Reichle & De-Massari модульного разъема Connection Module RJ45, в котором обеспечена полная преемственность с уже существующими решениями и достигнута электрическая и оптическая обратная совместимость. Конструктивно розетка модульного разъема отличается от прототипа только тем, что в нижней части ее корпуса имеется два закрытых съемной крышкой установочных гнезда, заканчивающиеся на лицевой поверхности круглыми отверстиями диаметром около 2 мм (см. Рисунок 1). В каждое гнездо может быть вставлено проводное изделие, дополнительное по отношению к витым парам горизонтального кабеля.

Рисунок 1. Розеточный модуль системы RCC45.

К установочным отверстиям розетки системы RCC45 подсоединяется пластиковый волоконный световод 980/1000, конец которого предварительно армирован центрирующей гильзой. В случае применения полимерных волокон в качестве среды передачи информации на гнездо розетки Connection Module RJ45 необходимо предварительно надеть переходной адаптер, образующий гнездовую часть разъема F07. При этом проводники витой пары могут быть использованы для подачи напряжения дистанционного питания на активное оконечное устройство (преобразователь среды, управляющий контроллер и т. д.). Для этого в верхней части корпуса адаптера предусмотрена гнездовая часть разъема мини-RJ, вилка которого подключается к контактам модульного разъема.

Разработчики Reichle & De-Massari предполагают использовать розетку нового типа в качестве полноправного компонента так называемой расширенной кабельной системы (Extended Office Cabling).

Кабельные изделия

В настоящее время промышленность серийно выпускает множество различных конструкций оптических кабелей с полимерными световодами. Вследствие относительно высокого погонного затухания полимерного волокна как среды передачи информации их номенклатура имеет две характерные особенности. Во-первых, основную долю в объеме производства занимают изделия, рассчитанные на прокладку внутри здания. Во-вторых, большей популярностью, по сравнению с классическими оптическими кабелями с кварцевыми световодами, пользуются комбинированные конструкции.

Оптические кабели внутренней прокладки с полимерными волокнами не существенно отличаются от их аналогов с кварцевыми световодами, чему в немалой степени способствует близость массогабаритных показателей полимерного волокна и кварцевого световода во вторичном буферном покрытии диаметром 0,9 мм, а также идентичность допустимых радиусов изгиба (примерно 25—30 мм). В этой ситуации далеко не последнюю роль при выборе продукта начинает играть такой фактор, как стремление производителей к унификации технологии изготовления.

Серийные кабели внутренней прокладки обычного исполнения не отличаются большой емкостью и наиболее часто выпускаются в симплексном варианте или в виде конструкции по типу zip-cord. В случае применения многоволоконных конструкций с общей оболочкой для облегчения идентификации может использоваться окраска внешних покрытий отдельных волокон в стандартные цвета.

Предназначенный для рассмотренной выше системы RCC45 кабель выполнен по дуплексной комбинированной схеме. Изделие реализовано в виде кабеля-восьмерки, одна из частей которого представляет собой стандартный четырехпарный элемент Категории 5е или 6, а другая — тонкостенную трубку с внешним диметром около 8 мм, где размещают провода питания, полимерные световоды и оптические кабели с кварцевыми волокнами. Помещаемая в трубку в процессе ее изготовления протяжная нить может быть использована для прокладки, в случае необходимости данная операция осуществляется обычным устройством заготовки каналов офисного назначения.

Более тесная интеграция дополнительных элементов расширенных кабельных систем с существующей конструкцией достигнута в изделиях компании Draka Comteq, где пластиковые световоды введены под защитный шланг четырехпарного кабеля. За счет этого достигается осесимметричная форма изделия, что заметно упрощает процедуру его прокладки по кабельным каналам внутри здания. Визуальное отличие продукта проявляется только в несколько большем внешнем диаметре.

На вид исполнения сердечника комбинированного оптического кабеля заметное влияние может оказать также область его применения. Так, кабели немецкой компании Leoni, ориентированные на эксплуатацию в условиях промышленного предприятия, наряду с двумя полимерными световодами могут содержать два медных проводника с сечением 1 мм?, предназначенных для подачи силового питания на управляющие элементы различных промышленных механизмов.

Оптические разъемы

Оптические разъемы для полимерных световодов по принципу своего построения не отличаются от изделий аналогичного функционального назначения для кварцевых волокон. Потенциально они могут быть реализованы по симметричной и несимметричной схеме, причем последняя, в отличие от «кварцевой» ветви волоконной оптики, получила заметно более широкое распространение в серийной продукции.

В процессе разработки конкретных конструкций разъемных соединителей сформировались три различных подхода.

Первый заключается в том, что в качестве основы конструкции соединителя выбирают серийное изделие, хорошо зарекомендовавшее себя в процессе эксплуатации на традиционных линиях локальных сетей и сетей связи общего пользования, и адаптируют его для новой области применения. В рамках реализации данной концепции известны многочисленные предложения серийных симплексных разъемов ST, F-SMA и FC. От прототипа они отличаются увеличенным диаметром канала центрирующего наконечника, который изготавливается преимущественно из нержавеющей стали. Употребление этого материала при условии выполнения полировки торцевой поверхности волокон заметно удешевляет конструкцию и позволяет уменьшить потери в соединителе до значений даже менее 0,5 дБ.

При втором разработчик пользуется отсутствием высоких требований к механической точности изготовления отдельных компонентов. С учетом этого обстоятельства для ускорения и удешевления разработки, а также для унификации процедуры интеграции в существующие конструктивы в качестве базового элемента может быть выбран серийный электрический разъем массового применения. В рамках реализации такой концепции в конструкцию разъема иногда включают отдельные детали корпуса широко распространенного 9-контактного электрического разъема D-Sub (DB09).

Третий состоит в разработке разъемного соединителя с новым дизайном, в максимально полной степени учитывающим оптические характеристики полимерного волокна. Для подобных разработок характерны исключительно пластмассовые корпуса и юстирующие элементы. Среди них известны, например, разъемы типов F05, F06 и F07. Разъем F05 часто устанавливается в разнообразной аудиоаппаратуре. F07 нормирован на международным уровне стандартом IEC 61754-16 и, кроме того, принят в качестве стандартизованного соединителя для сетевого интерфейса ATM. Еще одним приложением, где на правах стандартного соединителя PN используется разъем F07 (см. Рисунок 2), является интерфейс IEEE 1394b FireWire, быстро набирающий популярность. Достаточно широкое распространение получил также разъем HP Versatile Link.

Рисунок 2. Вилка дуплексного оптического разъема F07.


Отметим, что компоненты второй и третьей группы могут иметь наряду с симплексным вариантом также дуплексное исполнение, что делает их более удобными в эксплуатации. В отличие от разъемов первой группы в подавляющем большинстве случаев они реализуются по несимметричной схеме.

В перечне требований к оптическим разъемам для полимерных волокон отсутствует положение об обязательном достижении физического контакта соединяемых световодов. Считается, что дополнительные френелевские потери из-за возможных воздушных зазоров пренебрежимо малы на фоне остальных составляющих. В случае необходимости их подавления рекомендуется применение иммерсионных гелей.

Разъем может быть установлен различными способами, каждый из которых предполагает две основные операции: фиксацию центрирующего наконечника на волокне и обработку торцевой поверхности световода для достижения минимума потерь. Первая из названных операций выполняется исключительно механическими способами. При этом наряду с кримпированием и фиксацией с помощью зажимов различных видов используется установка наконечника непосредственно на защитное покрытие методом накручивания, для чего внутренняя поверхность центрирующей гильзы снабжается самонарезающей резьбой. Очень популярные в области кварцевых волокон методы установки на основе различных видов клеев практически не применяются из-за крайне плохой адгезии эпоксидных клеевых составов общего назначения к полимерным материалам.

Большинство способов обработки торцевой поверхности могут рассматриваться как прямые аналогии технологических процессов, разработанных для классических кварцевых световодов. Один из них заключается в получении торцевой поверхности необходимого качества чисто механическим методом. Из-за существенно более высокой пластичности полимера по сравнению с кварцевым стеклом облом в скалывателе под действием изгиба или осевого растягивающего усилия невозможен. Поэтому данная операция заменяется обрезкой, выполняемой обычными бокорезами, перочинным ножом или бритвенным лезвием. Наилучшее качество достигается в случае применения профессионального обрезного инструмента, поскольку наряду с чистой плоскостью реза обеспечивается ее перпендикулярность оси волокна. Один из возможных вариантов практической реализации такого инструмента изображен на Рисунке 3. В тех ситуациях, когда технология установки центрирующего наконечника требует удаления части защитного покрытия, одновременно проводится и обрезка посредством соответствующего ручного технологического приспособления, конструктивно оформленного в виде клещей (производства, например, немецкой компании Rennsteig). Для дополнительного улучшения качества соединителя в некоторых моделях инструментов предусмотрен нагрев рабочей поверхности резака. Мощность нагревателя составляет 20—30 Вт, питание осуществляется от бытовой электрической сети.

Рисунок 3. Инструмент для обрезки полимерных волокон.

Две другие технологии реализуют двухшаговые схемы и предполагают, соответственно, выполнение двух основных операций: фиксацию волокна в центрирующем наконечнике и последующую дополнительную обработку его торцевой поверхности для достижения минимального уровня вносимых оптических потерь.

В первом варианте, который не имеет аналогов в технике стеклянных световодов, разработчик использует тот факт, что температура плавления полимера существенно ниже температуры плавления кварца, а ее достижение не вызывает технических проблем не только в лабораторных или промышленных условиях, но и непосредственно на объекте монтажа кабельной проводки. При переходе любого материала в жидкое состояние под действием сил поверхностного натяжения шероховатости исчезают. Для практической реализации этой схемы торцевую часть волокна прижимают к пластинке, нагретой до температуры примерно 1600°С. Выбор именно этого значения температуры связан с тем, что полимер при таких условиях быстро переходит в жидкое состояние, но не вскипает с образованием пузырьков, заметно увеличивающих потери.

Второй вариант двухшаговой схемы на сегодняшний день наиболее эффективен с точки зрения уровня вносимых оптических потерь, наряду с обрезкой он предполагает дополнительную обработку торцевой поверхности световода на шлифовальной бумаге с различной зернистостью для уменьшения шероховатости оптически активной части. Эффективность применения процессов шлифовки и полировки обусловлена относительно высокой твердостью полиметилметакрилата. Процедура обработки волокна на объекте монтажа осуществляется с помощью традиционной шлифовальной шайбы. В отличие от аналогичных изделий для кварцевых световодов, шайбы для полимерного волокна очень часто имеют два отверстия, что делает работу с дуплексными вариантами разъемов более удобной. В ситуации, когда центрирующий наконечник разъема выполнен из пластмассы, на шайбе может быть предусмотрено даже две пары отверстий разной глубины: первая пара используется для шлифовки световодов, а вторая, с большей глубиной, предназначена для завершающей полировки.

Для получения минимальной величины воздушного зазора между торцевыми поверхностями в собранном разъеме в процессе реализации любого метода дополнительно обеспечивается перпендикулярность плоскости торцевой поверхности и оси световода. Это достигается с помощью направляющих самых различных конструкций, вводимых в состав технологических приспособлений.

Сравнение способов обработки по критерию вносимых потерь приведено в Таблице 2. Отметим, что при любой технологии процедура установки отдельных компонентов разъема на полимерное волокно не требует применения прецизионных инструментов. Нормативное время выполнения процесса оконцевания, согласно технологическим нормам различных производителей, составляет не более 2-3 мин.

Таблица 2.

Типовые значения потерь в оптических разъемах полимерных волокон 980/1000 при различных способах обработки торцевой поверхности.

Технология обработки Вносимое затухание (дБ)
Обрезка бокорезами 4-5
Обрезка ножом 2,5-3
Обрезка лезвием 1,2-1,5
Термический способ 0,8-1,2
Шлифовка 0,7-0,9
Полировка 0,5-0,7

Операция по армированию полимерных волокон вилками оптических разъемов может быть выполнена специалистом с минимальным уровнем подготовки в данной области. Кроме того, вследствие существенно большего диаметра сердцевины разрешенный диапазон допусков на геометрические параметры отдельных деталей увеличивается более чем на порядок. Совокупность этих факторов приводит к тому, что полная стоимость изготовления одного разъемного оптического соединителя, по оценкам некоторых зарубежных аналитиков, составляет не более 1/50 от стоимости оптического разъема для классических кварцевых световодов.

Дальность связи и скорость передачи информации

Изложенный выше материал позволяет дать ответ на вопрос, критически важный для тех, кто решает задачу построения информационно-вычислительной системы: каковы дальность связи и скорость передачи информации, которые обеспечивает рассматриваемый комплекс технических средств?

Дальность связи и скорость информационного обмена взаимосвязаны и зависят преимущественно от энергетических характеристик оптических приемопередатчиков, уровня потерь в отдельных компонентах тракта передачи и его дисперсионных параметров.

Максимальная дальность связи l определяется энергетическими характеристиками элементной базы оптических приемопередатчиков в интерфейсах физического уровня и находится как решение следующего уравнения

E = αλl + 2A,

где Е — энергетический потенциал сетевого интерфейса (разность между минимально вводимой в волокно мощностью оптического сигна ла и максимальной мощностью сигнала на окне фотоприемника, при которых обеспечиваются заданная вероятность ошибки цифрового сигнала и отношение сигнала к шуму для аналогового сообщения); αλ — коэффициент затухания оптического кабеля на длине волны l; А — потери в оптическом разъеме.

Результаты расчетов при типичных для оптическо-электронной элементной базы видимого диапазона длин волн Е = 12 дБ и при условии применения высококачественных разъемов с потерями А = 1,5 дБ приведены на Рисунке 4.

Рисунок 4. Максимальная длина тракта передачи сигнала на основе оптического кабеля с полимерными ступенчатыми волокнами на различных длинах волн: а) ограничение по энергетическому потенциалу; б) ограничение по полосе пропускания.

Расчетное уравнение по определению дальности связи с учетом ограничений по полосе пропускания записывается как

V = ΔFkFkBl,

где V — скорость передачи информации; 
ΔF — коэффициент широкополосности полимерного волокна; 
kF — коэффициент изменения тактовой частоты (он характеризует увеличение скорости передачи в случае применения кодов, отличных от NRZ); 
kB — коэффициент уменьшения полосы пропускания фотоприемного устройства по сравнению с тактовой частотой линейного сигнала.

Для блочных кодов с небольшой избыточностью в случае современных быстродействующих фотоприемных модулей можно в первом приближении принять kF x kB = 1. Результаты расчетов при типовых величинах ΔF приведены на Рисунке 4б.

Активное оборудование и тестирующие приборы

Упоминания о возможности использования полимерных оптических волокон в качестве среды передачи различных сетевых интерфейсов начали появляться в технической литературе еще в середине 90-х гг. прошлого столетия. Так, в частности, ATM Forum в 1997-1998 гг. утвердил стандарты на передачу сигналов со скоростью 25,6, 51,2 и 155 Мбит/с на расстояние до 50 м по пластиковым световодам, параметры которых соответствуют спецификации PHY 0079 этой организации.

В настоящее время ряд компаний выпускает активное сетевое оборудование, предназначенное для работы с полимерными световодами. На рынке можно найти серийные сетевые адаптеры, преобразователи среды в бескорпусном и настольном вариантах и даже коммутаторы уровня рабочей группы с соответствующими оптическими портами. С прицелом на применение прежде всего в области построения домашних сетей на рынке достаточно широко представлено оборудование видеокамер систем наблюдения, оптических датчиков различных физических величин, видеотелефонов, проигрывателей DVD и других аналогичных устройств с оптическим интерфейсом под пластиковые волокна.

Характерной особенностью некоторых типов активного оборудования является отказ от применения классического оптического разъема, построенного по симметричной или несимметричной схеме с использованием наконечников и центрирующих гильз. В этом случае обрезанное волокно просто вдвигается в соответствующее гнездо на корпусе прибора. Такое решение возможно благодаря слабой зависимости потерь от величины поперечного смещения. Фиксация волокна в рабочем положении осуществляется зажимом цангового типа с накидной гайкой или обычным подпружиненным движковым зажимом. Для иллюстрации решений первой группы сошлемся на приборные разъемы серии SFH, реализованные в устройствах промышленной автоматики концерна Siemens. Фиксатор движкового типа использован в конвертерах 100BaseTX/FX немецкой компании Ratioplast, где для подключения волокон предусмотрен зажимной разъем типа RP-Optoklemme. Все эти компоненты просто фиксируют световод со срезанным концом в гнезде модулей оптического приемника и передатчика и позволяют в некоторых случаях обойтись вообще без удаления защитных покрытий волокна.

Немаловажно и то, что внедрение полимерных волокон в качестве типа среды передачи способно радикальным образом изменить структуру домашних сетей. В настоящее время центральным пунктом сети является ПК, который выполняет функции сервера. В случае использования оптического варианта стандарта высокоскоростного последовательного интерфейса IEEE 1394b можно строить одноранговые сети и соединять устройства по принципу «каждый с каждым» или обратиться к шинной топологии (до 16 устройств на одной шине).

В процессе тестирования отдельных компонентов и кабельных трактов на основе полимерных световодов потенциально могут быть использованы обе разновидности оптических измерительных приборов: оптические тестеры и рефлектометры. На практике из-за небольшой протяженности кабельных трактов и малой распространенности полимерных волокон оптические рефлектометры, работающие в области видимого диапазона длин волн, требуют формирования очень коротких зондирующих импульсов и известны только в виде лабораторных макетов. Поэтому тестирование сетей осуществляется исключительно оптическими тестерами с кремниевым фотодиодом в приемной части. На рынке широко представлены серийные образцы оборудования этой разновидности, выпускаемые, например, компанией SENKO.

Заключение

Изложенный выше материал позволяет констатировать следующее.

  1. Достигнутый на сегодняшний день уровень техники волоконно-оптической связи с полимерными волокнами открывает широкие перспективы ее использования для построения кабельной проводки различного назначения.

  2. Наиболее привлекательной стороной такого оборудования является предельная простота монтажа оптических разъемов в сочетании с обеспечением гальванической развязки соединяемой аппаратуры и нечувствительности к электромагнитным помехам.

  3. Применительно к технике СКС полимерные световоды востребованы главным образом в коротких соединительных линиях магистральных подсистем классических СКС и в кабельной проводке домашних сетей (последняя - для обеспечения функционирования аппаратуры стандарта IEEE 1394b).

  4. Типичные параметры современных кабелей с полимерными волокнами открывают возможность их эффективного применения для построения полноценной горизонтальной проводки СКС офисного назначения только в случае работы на длине волны 570 нм.

  5. Серийные низкоапертурные волокна типа 980/1000 позволяют передавать информационные потоки со скоростью 100 Мбит/с по трактам протяженностью до 100 м. По эффективности они примерно эквивалентны витой паре Категории 5 и обеспечивают поддержку функционирования таких широко распространенных интерфейсов, как Fast Ethernet и IEEE 1394b в варианте S100.

  6. В случае уменьшения длины тракта передачи до 50 и 25 м скорость передачи информации возрастает до 200 и 400 Мбит/с, соответственно, что позволяет применять оборудование IEEE 1394b, адекватное спецификациям S200 и S400. В данной ситуации в области домашних сетей полимерное волокно может рассматриваться как дополнение кабелей из витых пар Категории 8, обсуждаемых сейчас в комитетах по стандартизации.


Статья опубликована с разрешения журнала сетевых решений "LAN", №01 2004