Волоконна оптика — це технологія передачі інформації у вигляді імпульсів світла через тонкі нитки скла або пластику. Замість того, щоб переміщати електрони через мідь, волоконно-оптичний канал скеровує фотони по точно сконструйованому ядру, тому волокно може передавати набагато більше даних на набагато більші відстані з меншими перешкодами, ніж мідний кабель Ethernet.
У цьому посібнику описано, що таке волоконна оптика, як фізично працює волоконно-оптичний зв’язок, категорії кабелів OS і OM, які ви побачите в кожній таблиці даних, порівняння оптоволокна з міддю, а також практичну схему прийняття рішень щодо вибору правильного кабелю для вашої мережі. Приклади спираються на реальні інженерні обмеження, а не просто на описи підручників.
Що таке волоконна оптика?
Волоконна оптика — це використання оптичних волокон для передачі даних за допомогою світла. Оптичне волокно — це одна -тонка нитка волоскаскло або, у деяких-досяжних випадках, пластик. Волоконно-оптичний кабель — це готова збірка, яка захищає одне або декілька з цих волокон міцними елементами, буферами та оболонками.
Найпростіший спосіб подумати про це: волоконна оптика передає дані за допомогою світла, а не електрики. Ця єдина зміна робить оптоволокно основою сучасного Інтернету, гіпермасштабованих центрів обробки даних, мобільного переднього та зворотного зв’язку та мереж доступу FTTH.
Як працює волоконна оптика?
Оптоволоконна лінія перетворює електричні сигнали на світло, надсилає це світло вниз по скляній серцевині та перетворює його назад в електричні сигнали на дальньому кінці. П'ять речей відбуваються послідовно:
- Пристрій (комутатор, маршрутизатор, OLT, сервер NIC) створює електричний сигнал.
- Трансивер використовує лазер (для одно-режиму) або VCSEL/LED (для багатомодового) для перетворення сигналу в модульоване світло на певній довжині хвилі - зазвичай 850 нм, 1310 нм або 1550 нм.
- Світло поширюється через серцевину волокна, обмежене повним внутрішнім відбиттям.
- Фотодетектор на приймальному приймачі перетворює світло назад в електричний сигнал.
- Приймаючий пристрій декодує сигнал і передає його в стек.
Всередині оптичного волокна: серцевина, оболонка, покриття
Кожне оптичне волокно має три концентричних шари:
- Ядро- скляний канал, через який насправді проходить світло. Одномодове-волокно має серцевину близько 8–10 мкм; багатомодове волокно зазвичай має серцевину 50 мкм (62,5 мкм у застарілому OM1).
- Обшивка вагонкою- скляний шар, що оточує ядро з дещо нижчим показником заломлення. Більшість телекомунікаційних волокон використовують оболонку 125 мкм.
- Покриття- захисний акрилатний шар (зазвичай 250 мкм), який захищає скло від вологи та пошкоджень під час використання.
Окрім голого волокна, готовий кабель додає буферні трубки, арамідну пряжу, водо{0}}блокуючий гель або стрічку та зовнішню оболонку.Вільні-трубки та щільні-буферні конструкціїслужити в дуже різних середовищах - вільна-трубка для зовнішніх і прямих-поховання трас, щільна-буферна для внутрішніх кабелів.
Чому повне внутрішнє відображення має значення
Світло залишається в серцевині, оскільки оболонка має нижчий показник заломлення. Коли світло потрапляє на межу сердечника й оболонки під досить невеликим кутом, воно повністю відбивається назад у серцевину, а не витікає назовні - явище, яке називається повним внутрішнім відбиттям. TheВолоконно-оптична асоціаціяописує це як фундаментальний принцип, який робить можливою оптичну передачу.
Ось чому волокно добре переносить плавні вигини. Це не те, чому волокно терпить зловживання: якщо порушити мінімальний радіус вигину кабелю, ви створите втрати на макрозгині; нехай пил осідає на торці роз’єму, і ви створюєте внесені втрати та зворотне відображення.
Основні типи волоконно-оптичних кабелів: одномодовий-або багатомодовий
Перше рішення в будь-якому проекті оптоволокна – одномодове- або багатомодове. Усе інше - роз’єм, трансивер, відстань, вартість - випливає з цього вибору.
Одномодове-волокно (SMF)
Одно{0}}модове волокно має дуже вузьку серцевину (зазвичай 8–10 мкм), яка підтримує лише один режим розповсюдження. Світло поширюється практично по прямій лінії вниз по ядру, що усуває модальну дисперсію та забезпечує надзвичайно великий діапазон.
Один-режим є типовим для:
- Телекомунікаційні-мережі далекого зв’язку та метро
- Магістраль ISP і зв'язки агрегації
- Кампус і кістяк -to-будівлі
- З’єднання центрів обробки даних (DCI) між сайтами
- FTTH, FTTB та інші мережі доступу
Сучасне одномодове-волокно класифікується як OS1 або OS2. Різниця здебільшого пов’язана з конструкцією кабелю (щільна-буферна та вільна-трубка) і затухання на кілометр, а не саме скло.OS2 є стандартним вибором для розгортання поза приміщеннями,-далеких відстаней і FTTH, тоді як OS1 частіше зустрічається в контрольованому внутрішньому середовищі.
Багатомодове волокно (MMF)
Багатомодове волокно має більшу серцевину 50 мкм, яка підтримує багато одночасних шляхів світла. Це робить дешевшим підключення світла до - трансивери VCSEL значно дешевші, ніж лазери DFB, які використовуються для-дистанційного-режиму -, але шляхи різних режимів надходять до приймача в дещо інший час, що обмежує охоплення.
Багаторежимний зазвичай використовується для:
- Верх-з-стійки та стулки-хребта всередині центру обробки даних
- Сервер--комутатор і підключення до сховища
- Короткі будівельні або підлогові магістралі
- Лабораторне та тестове середовище
Категорії від OM1 до OM5 охоплюють багатомодове волокно, що поступово підвищує-продуктивність.OM3 і OM4 охоплюють переважну більшість установок нових центрів обробки даних, з додаванням OM5, коли використовується широкосмугове короткохвильове-мультиплексування (SWDM).
OS1, OS2 та OM1–OM5: Технічні характеристики та типове охоплення
У таблиці нижче підсумовано, як кожна категорія працює із звичайними швидкостями Ethernet. Значення відстані взято зі стандартів IEEE 802.3 для відповідного PMD; Завдяки спеціалізованій оптиці можливі більші відстані.
| Категорія | Тип волокна | Діаметр сердечника | Типова довжина хвилі | Досяжність 10G | Досягайте 40/100 г | Типове використання |
|---|---|---|---|---|---|---|
| OS1 | Одиночний-режим | ~9 µm | 1310 / 1550 нм | 10 км+ | 10–40 км | Працює в одиночному-режимі |
| OS2 | Одиночний-режим | ~9 µm | 1310 / 1550 нм | 10–40 км+ | 10–80 км з відповідною оптикою | Надворі, далекі-магістралі, FTTH, DCI |
| OM1 | Багатомодовий | 62.5 µm | 850 нм | 33 m | Не рекомендується | Застарілі установки |
| OM2 | Багатомодовий | 50 µm | 850 нм | 82 m | Не рекомендується | Старі локальні мережі підприємства |
| OM3 | Багатомодовий (лазер-оптимізований) | 50 µm | 850 нм | 300 m | 100 м при 40G/100G | Короткий доступ до основного центру обробки даних |
| OM4 | Багатомодовий (лазер-оптимізований) | 50 µm | 850 нм | 400 m | 150 м при 40G/100G | Високо{0}}продуктивний центр обробки даних |
| OM5 | Широкосмуговий багатомодовий | 50 µm | 850–953 нм | 400 m+ | 150 м при 40G/100G; підтримує SWDM | Планування центрів обробки даних SWDM |
Одно-модове проти багатомодового волокна
| Фактор | Одиночний-режим | Багатомодовий |
|---|---|---|
| Розмір ядра | 8–10 µm | 50 мкм (62,5 мкм для OM1) |
| Джерело світла | DFB або FP лазер | VCSEL або LED |
| Типовий охоплення | Десятки кілометрів | До кількох сотень метрів |
| Вартість оптики | Вище на порт | Опустіть для невеликої відстані |
| Вартість кабелю | Порівнянний, іноді нижчий | Порівнянний |
| Найкраще для | Магістраль, FTTH, DCI, довгі канали | Всередині--стійки, листа-хребта, лабораторії |
Надійне емпіричне правило: якщо посилання покине будівлю, за замовчуванням використовуйте один-режим. Якщо він залишається всередині одного об’єкта і знаходиться на відстані менше кількох сотень метрів, багатомодовий зазвичай виграє за загальною вартістю.
Чому волоконно-оптичні кабелі підтримують більшу пропускну здатність, ніж мідні
Перевага оптоволокна щодо пропускної здатності не є маркетинговою - вона походить від фізики. Оптичні частоти на кілька порядків вищі за частоти, досягнуті на витій парі, тому одне волокно може модулюватись із значно більшою кількістю даних за секунду. Завдяки мультиплексуванню за довжиною хвилі один ланцюг може передавати десятки незалежних каналів зі швидкістю 100G, 200G або 400G кожен.IEEE 802.3вже визначає 400G і 800G Ethernet через оптоволокно; нічого близького не існує над міддю на значній відстані.
Як далеко можуть передавати дані волоконно-оптичні кабелі?
Досяжність залежить від категорії волокна, трансивера та бюджету втрат зв’язку -, а не лише від кабелю. Як орієнтири:
- OM3/OM4 багатомодовий на 10GBASE-SR: 300 м / 400 м
- OS2 в одному-режимі на 10GBASE-LR (1310 нм): 10 км
- OS2 на 10GBASE-ER (1550 нм): 40 км
- OS2 на 10GBASE-ZR з лінійною-оптикою: 80 км
- Когерентні системи DWDM: від сотень до тисяч кілометрів з підсилювачами
Чи оптоволокно надійніше, ніж мідь?
Оптоволокно важче приховати, ніж мідний Ethernet. Вставлення пасивного відводу на волокно зазвичай викликає вимірювані внесені втрати та зворотне відображення, обидва з яких може виявити OTDR або активний моніторинг зв’язку. Мідь, навпаки, пропускає електромагнітне випромінювання, яке можна підхопити поблизу.
Це не робить волокно «безпечним» саме по собі - рішучий зловмисник із фізичним доступом і відповідним обладнанням для з’єднання все ще може підключитися до волокна. Ставтеся до оптоволокна як до міцнішої основи-фізичного рівня, а не як до заміни шифруванню та контролю доступу.
Недоліки та обмеження волоконної оптики
Оптоволокно — це правильна відповідь для більшості високопродуктивних-зв’язків, але воно має серйозні недоліки.
Вища початкова вартість коротких посилань
Для пробігу 20 м між комутатором і настільним комп’ютером патч-корд Cat 6 є швидшим, дешевшим і легшим, ніж оптоволоконна альтернатива. Оптоволоконні трансивери, інструменти для зварювання, зварювальні апарати та тестове обладнання OTDR додають реальних капітальних витрат.
Більш спеціалізоване встановлення
Волокно погано переносить погану якість виготовлення.Правильний монтажозначає дотримання радіуса вигину, контроль натягу, утримання з’єднувачів у чистоті та перевірку кожного закінчення. Пропуск цих кроків створює зв’язки, які проходять тести безперервності, але виходять з ладу під навантаженням.
Немає джерела живлення
Стандартне оптоволокно не пропускає електричний струм, тому не може забезпечити PoE для камер, точок доступу або телефонів. Існують гібридні кабелі, які поєднують оптоволокно з мідними провідниками живлення, але це інший клас продуктів.
Підводні камені сумісності
Оптоволоконний зв’язок працює лише тоді, коли всі компоненти узгоджуються: тип волокна (SM або MM), роз’єм (LC, SC, MPO), полірування (PC, UPC, APC), довжина хвилі та радіус дії трансивера мають відповідати. Наприклад, невідповідні роз’єми APC і UPC будуть фізично з’єднуватися, але створюватимуть неприйнятні внесені втрати.
Волоконно-оптичний кабель проти мідного кабелю
| Фактор | Волоконно-оптичний кабель | Мідь (Cat 6/6A/8) |
|---|---|---|
| Середній сигнал | світло | Електричний струм |
| Максимальний діапазон Ethernet | 10–80 км (одно-режим) | 100 м (типовий), 30 м для Cat 8 |
| Максимальна підтримувана ставка | 400G і 800G в IEEE 802.3 | 40G над Cat 8 |
| Опір EMI | Імунний | Сприйнятливий |
| Живлення через кабель | Жодного рідного | PoE/PoE+/PoE++ до 90 Вт |
| Навик припинення | Кваліфікована праця, часто зварювання | Стандартний обтиск RJ45 |
| Попередня вартість (коротке посилання) | Вища | Нижній |
| Довгострокова масштабованість- | Чудово | Обмежений |
Чесною відповіддю на питання «волокно чи мідь» є «обидва, на своїх місцях». Сучасне кампус зазвичай використовує одномодове-оптоволокно на магістралі, багатомодове оптоволокно в залах центру обробки даних і мідь від комутаторів доступу до кінцевих пристроїв.
Загальні застосування волоконної оптики
Магістраль телекомунікацій та Інтернету
Перевізники-далеких перевізників прокладають тисячі кілометрів одномодового-волокна між містами, освітленими когерентною оптикою DWDM. Підводні кабелі, які з’єднують континенти, також є оптоволоконними - зазвичай з оптичними підсилювачами (EDFA) кожні 50–100 км.
Гіпермасштабні та корпоративні центри обробки даних
У сучасному центрі обробки даних кінцеві--зв’язки зазвичай мають паралельну оптику MPO- через OM4 або OM5, а сервер--кінцеві зв’язки часто є дуплексними LC на OM3/OM4.Магістральні та розривні кабелі MPO та MTPце те, що робить щільність портів 40G, 100G і 400G практичною в масштабі.
FTTH і широкосмуговий доступ
Оптоволокно до дому поширює одномодове-волокно від OLT через пасивний оптичний розгалужувач до ONT у кожного абонента. Типова архітектура GPON або XGS-PON обслуговує 32 або 64 домівки з одного порту PON і підтримує швидкість низхідного зв’язку гігабітного-класу. Детальний проект анМережа доступу FTTHвартий власного путівника.
Промислові, медичні та датчики
На заводах оптоволокно замінює мідь у будь-якому з’єднанні, яке перетинає високо{0}}обладнання-або частотні-приводи - мідь вловлює занадто багато електричного шуму, щоб бути надійною. Медичні ендоскопи використовують пучки волокон для передачі світла та даних зображення. Розподілені оптоволоконні датчики виявляють вібрацію, температуру та деформацію вздовж трубопроводів, периметрів і конструкцій.
Як вибрати правильний оптоволоконний кабель
Вибір кабелю слід починати з вимог до мережі, а не з лінійки продуктів. Пройдіть по порядку ці п’ять запитань.
1. Що таке відстань зв’язку та необхідна швидкість?
Карта відстані за IEEE 802.3 PMD, яка відповідає вашій швидкості. 250-метровий канал 10G може працювати з OM3; 350-метровий канал 10G потребує OM4 або одно-режим; все, що перевищує 550 м на 10G, є одномодовою-територією. Для 100G/400G багатомодовий досягає швидкого згортання - single-режим є безпечним за умовчанням за межами однієї будівлі.
2. Який трансивер буде освітлювати волокно?
Кабель і оптичний модуль повинні збігатися. Підтвердити:
- Тип волокна: одномодове- або багатомодове
- Довжина хвилі: 850 нм проти 1310 нм проти 1550 нм або сітки CWDM/DWDM
- Роз'єм: LC duplex, SC або MPO/MTP
- Специфікація охоплення (SR, LR, ER, ZR)
- Дуплекс проти паралельної (MPO) сигналізації
Сполучення неправильного трансивера та оптоволокна є єдиною найпоширенішою причиною квитків «з’єднання темне». Однорежимний трансивер 10GBASE-LR- на багатомодовому патч-корді може періодично тріскати або не з’єднуватися взагалі.
3. Який роз’єм підходить для вашого обладнання?
Чотири типи роз’ємів, які ви побачите сьогодні на реальному обладнанні:
- LC- за умовчанням для сучасних трансиверів SFP/SFP+/SFP28 і більшості дуплексних каналів центрів обробки даних
- SC- поширений у телекомунікаційних мережах, ONT FTTH і деяких застарілих корпоративних пристроях
- MPO/MTP- багато-волоконних з’єднувачів, які використовуються для паралельної оптики 40G/100G/400G і магістральних магістралей високої-щільності
- FC і ST- знайдено в старих мережах, тестовому обладнанні та деяких промислових розгортаннях
Більш детальний опис кожного типу роз’єму -, включаючи лаконічні стилі та де APC проти UPC має значення -, можна знайти в нашомупосібник з типів волоконно-оптичних роз’ємів.
4. Що таке середовище встановлення?
Кожух і конструкція важливі так само, як і скло:
- Внутрішній стояк або пленум- вогнестійкі-оболочки, якщо це вимагається кодом (CMR, CMP)
- Зовнішня антена- УФ-куртка, часто з конструкцією ADSS або цифрою 8
- Пряме поховання або протока- армований або гелевий-заповнений вільний-трубний кабель
- Індустріальний- броньований кабель, розрахований на відповідний хімічний і механічний вплив
5. Як буде перевірятися посилання?
Заплануйте тестування, перш ніж тягнути кабель. Щонайменше, кожне завершення перевіряється за допомогою фіброскопа та перевіряється на внесені втрати за допомогою джерела світла та вимірювача потужності. Для довших або важливих з’єднань додайте трасування OTDR, щоб знайти будь-які -події з великими втратами.Fluke Networks публікує хороші довідкові матеріалищодо методів тестування як для сертифікації, так і для усунення несправностей.
FAQ
Q: Що таке волоконна оптика простими словами?
A: Волоконна оптика – це спосіб надсилання даних за допомогою імпульсів світла через тонкі скляні волокна. Це технологія, яка лежить в основі високо-швидкісного Інтернету, сучасних центрів обробки даних і більшості-мереж міжміського зв’язку.
З: Чи волоконно-оптичний кабель швидший за мідний?
A: Для великих відстаней і високих швидкостей передачі даних, так - значно. Одномодове-оптоволокно зазвичай передає 100G або 400G на десятки кілометрів, тоді як мідний Ethernet досягає максимальної швидкості 40G на 30 м (Cat 8) або 10G на 100 м (Cat 6A).
З: Яка максимальна відстань одномодового-волокна?
A: Це залежить від трансивера. Стандартний 10GBASE-LR працює на відстані 10 км, 10GBASE-ER працює на відстані 40 км, 10GBASE-ZR працює на відстані 80 км, а когерентні системи DWDM поширюються на сотні чи тисячі кілометрів із посиленням.
З: OS2 краща за OS1?
A: Для більшості нових установок, так. OS2 має нижче затухання та використовує вільну-конструкцію трубки, придатну для використання як усередині, так і на вулиці, тоді як OS1, по суті, є специфікацією із щільною буферизацією для приміщень із вищими втратами на кілометр.
Q: Чи OM4 кращий за OM3?
A: OM4 підтримує більший радіус дії за тієї самої швидкості -, наприклад, 400 м при 10G проти 300 м для OM3, і 150 м проти 100 м при 40G/100G. Якщо довжина зв’язку знаходиться в межах досяжності OM3, OM3 зазвичай економічніше-.
З: Чи можна використовувати волоконно-оптичний кабель поза приміщенням?
A: Так, з правильною конструкцією. Зовнішні волоконно-волоконні кабелі використовують -стійкі УФ-оболочки, водо-блокуючі елементи та часто броньовані або вільні-трубки. Кабель для-приміщень не слід використовувати поза приміщенням і навпаки.
Питання: Які з’єднувачі використовуються для оптоволоконного кабелю?
A: Найпоширенішими є LC (сучасний центр обробки даних і оптика SFP), SC (телеком і FTTH), MPO/MTP (паралельна оптика на 40G і вище) і FC/ST у старих або промислових системах.
Питання: чи потрібен оптоволоконний трансивер або модем?
A: Для цього потрібен трансивер - зазвичай SFP, SFP+, QSFP+, QSFP28 або QSFP-DD -, який перетворює електричні та оптичні сигнали на кожному кінці зв’язку. Послуги FTTH зазвичай завершуються на ONT, який є еквівалентом приймача-передавача в житлових приміщеннях.
З: Оптоволоконний кабель передає електрику чи PoE?
A: Ні. Стандартне волокно пропускає лише світло. Щоб живити віддалений пристрій, ви або встановлюєте мідь поруч із волокном, або використовуєте гібридний волоконно-мідний кабель.
Питання: чи є волоконно-оптичний кабель крихким?
A: Скляні нитки є крихкими, але готовий кабель міцний, якщо його правильно встановити. Більшість несправностей виникають через порушення радіуса вигину, надто сильне натягування під час встановлення або погане поводження з роз’ємом -, а не через поломку самого скла.
З: Коли я повинен вибрати волокно замість міді?
Відповідь: вибирайте оптоволокно, якщо довжина зв’язку перевищує 100 м, якщо воно перетинає середовища з електричним шумом, коли воно має підтримувати швидкість 25G або вище, або якщо воно знаходиться на шляху, який пізніше буде дорого підключати. Мідь все ще виграє для коротких з’єднань доступу, кінцевих точок із живленням-PoE та невеликих офісів.
Висновок
Оптоволокно є основою практично кожної сучасної високо-ефективної мережі -, а категорія кабелю, тип роз’єму та вибір трансивера мають реальний вплив на те, чи відповідає з’єднання специфікаціям.
- використанняОдин-режим OS2для всього, що залишає будівлю, а також FTTH і дальні-магістралі.
- використанняOM4 (або OM5 для SWDM)багаторежимний для-побудови з’єднань центрів обробки даних на відстані до кількох сотень метрів.
- використанняOM3коли бюджет має значення, а довжина посилання доступна.
- використаннямідьдля коротких каналів доступу, пристроїв PoE та основних офісних кабелів.
Перед закупівлею зафіксуйте відстань, швидкість, трансивер, роз’єм, середовище та план тестування. Виконання цієї роботи заздалегідь - замість того, щоб вибір кабелю керував дизайном -, є найбільшим показником того, чи оптоволоконна установка працюватиме протягом усього запланованого терміну служби.
