Как работает оптоволокно: от стеклянной нити до гигабитного интернета
Оптоволокно передаёт информацию с помощью световых импульсов, которые бегут внутри тончайшей стеклянной нити. Один волос человека толще типичного оптического волокна в несколько раз, а скорость передачи данных по нему достигает сотен гигабит в секунду на расстояния в десятки километров без усилителей. Именно оптика стала основой магистральных сетей связи, соединяющих города и целые регионы России.
Из чего состоит оптическое волокно
В основе конструкции лежат два слоя стекла с разными оптическими свойствами. Центральная часть называется сердцевиной: её диаметр составляет от 9 до 62,5 микрометра в зависимости от типа волокна. Вокруг неё расположена оболочка с немного меньшим показателем преломления. Именно это различие создаёт эффект полного внутреннего отражения: световые лучи не выходят наружу, а многократно отражаются от границы раздела слоёв и движутся вдоль нити.
Сверху волокно покрыто защитным акрилатным слоем, затем помещается в буферную трубку и наружную оболочку кабеля. Готовый кабель может содержать от одного до нескольких сотен волокон. Для прокладки в земле добавляют бронирование из стальных проволок, для подвески на опорах устанавливают несущий трос.
Как свет передаёт данные
На передающем конце линии стоит лазер или светодиод. Он генерирует короткие вспышки света: единица кодируется вспышкой, ноль соответствует её отсутствию. Современные системы передают миллиарды таких импульсов в секунду. Лазер работает в инфракрасном диапазоне на длинах волн 850, 1310 или 1550 нанометров: именно при этих значениях стекло поглощает минимум энергии.
На протяжённых магистралях через каждые 80–120 километров устанавливают эрбиевые волоконные усилители. Они усиливают световой сигнал непосредственно в оптическом диапазоне, не переводя его в электрический. Это позволяет строить линии длиной в тысячи километров без потери качества сигнала.
Технология спектрального мультиплексирования позволяет одновременно пускать по одному волокну десятки лазерных лучей разных длин волн. Каждый из них несёт отдельный поток данных, что увеличивает суммарную пропускную способность в десятки раз. Промышленные системы достигают 100 терабит в секунду на одном кабеле.
Одномодовое и многомодовое волокно
Волокна делятся на два основных типа по числу мод, то есть траекторий, по которым распространяется свет. В многомодовом волокне сердцевина шире (50 или 62,5 мкм), и свет движется сразу несколькими путями. Это удобно для коротких дистанций до 550 метров внутри зданий или кампусов, где используются дешёвые светодиодные источники.
Одномодовое волокно имеет сердцевину 9 мкм. Через такой узкий канал проходит только одна мода, что исключает межмодовую дисперсию и позволяет передавать сигнал на десятки километров. Именно одномодовое волокно применяется на магистральных линиях между городами, в сетях операторов и при подключении крупных объектов. В России одномодовые кабели тянут вдоль железных дорог, газопроводов и федеральных трасс.
Как прокладывают оптоволокно и чем соединяют волокна
Строительство оптической линии требует точности. Кабель укладывают в траншею глубиной не менее 0,8 метра или протягивают через заранее проложенные защитные трубки методом задувки с помощью компрессора. В городах нередко используют существующую кабельную канализацию.
Соединение двух волокон выполняется сваркой: специальный аппарат точно выравнивает торцы и сплавляет их электрической дугой за несколько секунд. Потери в месте сварки составляют менее 0,1 децибела. Разъёмные соединения выполняются через коннекторы типа SC или LC с полировкой торца под углом 8 градусов, что снижает обратное отражение. После монтажа линию тестируют оптическим рефлектометром: прибор посылает импульс и по отражению строит карту всей трассы с точностью до метра, выявляя любые неоднородности.
