Повсеместное распространение оптоволокна стало новым шагом развития цифровых сетей.
Как удалось передать свет по проводам, и почему именно свет?
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!
____________________________________________________________________________________
КВАНТОВЫЙ ИНТЕРНЕТ ПЕРСПЕКТИВНАЯ СЕТЬ НА НЕВЕРОЯТНОЙ ОСНОВЕ
____________________________________________________________________________________
Наш онлайн-портал ➡️ digitalocean.ru
СОЦСЕТИ:
▪️ Telegram: t.me/digitaloceanru
▪️ Вконтакте: vk.com/digitalocean_ru
▪️ Яндекс.Дзен: bit.ly/digitalocean_magazine
