Как оптоволокно передаёт данные с помощью света

Волоконно-оптический кабель передаёт данные в виде импульсов света, а не электрических сигналов по медному проводнику. Лазер или LED быстро включает и выключает свет (либо изменяет его параметры), представляя единицы и нули цифровых данных, а детектор на другом конце преобразует эти импульсы обратно в данные. Поскольку свет проходит через стекло с очень малыми потерями, оптоволокно обеспечивает гораздо более высокие скорости и большие расстояния, чем медный кабель.

Оптическое волокно имеет многослойную структуру:

• Сердцевина — очень тонкий стеклянный центр, по которому проходит свет.
• Оболочка — слой стекла вокруг сердцевины, отражающий свет обратно внутрь.
• Буферный слой и внешняя оболочка — защитные покрытия снаружи.

Сердцевина и оболочка изготовлены из стекла с немного различающимися свойствами, и именно эта разница заставляет свет отражаться вдоль сердцевины.

Оптоволокно работает благодаря полному внутреннему отражению. Стекло сердцевины преломляет свет сильнее, чем стекло оболочки, поэтому при падении света на границу под малым углом он полностью отражается обратно в сердцевину, а не выходит наружу. Световой импульс движется по волокну, отражаясь даже на плавных изгибах. Такое удержание света — основа передачи данных по оптоволокну на километры без потери сигнала.

В стекле свет теряет энергию гораздо медленнее, чем электрические сигналы в меди. Поэтому оптоволокно обеспечивает более высокую пропускную способность и работает на гораздо больших расстояниях — на километрах вместо ограничения в 100 метров для меди — прежде чем потребуется усиление сигнала. Кроме того, оптоволокно передаёт огромные объёмы данных, поскольку световые импульсы можно создавать с чрезвычайно высокой частотой. Благодаря этим свойствам оптоволокно служит основой Интернета и центров обработки данных.

Огромное преимущество оптоволокна — невосприимчивость к электромагнитным помехам. Поскольку оно передаёт свет, а не электричество, расположенные рядом двигатели, линии электропередачи и радиошум не могут исказить сигнал. Поэтому оптоволокно идеально подходит для промышленных объектов с высоким уровнем электрических помех и для линий между зданиями, где молнии или разность потенциалов заземления могли бы повредить медный кабель. Оптоволокно также не излучает сигнал, поэтому подключиться к нему скрытно сложнее.

Устройства обмениваются данными по электрическому Ethernet, поэтому оптоволоконным линиям нужен трансивер — модуль, который при передаче преобразует электрические сигналы в свет, а при приёме выполняет обратное преобразование. Распространённые подключаемые трансиверы называются SFP (Small Form-factor Pluggable), а для более высоких скоростей используются SFP+. Они устанавливаются в порты коммутаторов и позволяют выбрать подходящий тип оптоволокна и расстояние для каждой линии.

Оптоволокно обладает большими возможностями, но не лишено недостатков:

• Преимущества — высокая скорость, большие расстояния, невосприимчивость к EMI, безопасность.
• Недостатки — более дорогие кабели и трансиверы, хрупкое стекло, сложность сварки и оконцевания.

Стеклянная сердцевина может треснуть при слишком резком изгибе, а соединение волокон требует точных инструментов, поэтому квалификация при монтаже важнее, чем при работе с медным кабелем.

С оптоволокном нужно обращаться осторожно. Никогда не сгибайте его сильнее допустимого радиуса изгиба: свет может выйти наружу, а стекло — сломаться. Следите за чистотой торцов разъёмов — даже небольшая пылинка может перекрыть достаточно света, чтобы нарушить работу линии. Никогда не смотрите прямо в работающий оптический кабель или трансивер: инфракрасный лазерный свет невидим, но может повредить глаза. Эти правила безопасности встречаются на экзамене.

Оптоволокно преобладает там, где особенно важны скорость и расстояние:

• Магистрали Интернета, проходящие через города и океаны.
• Магистральные сети центров обработки данных, соединяющие высокоскоростные коммутаторы.
• Линии между зданиями на территории кампуса.
• Оптоволоконные линии до дома для быстрого широкополосного доступа.

На рабочем месте медный кабель часто выигрывает по стоимости, но основной поток данных за кулисами передаётся по оптоволокну.

Поскольку одно оптическое волокно обычно передаёт свет только в одном направлении, в линиях часто используют два волокна — одно для передачи, другое для приёма — обеспечивая полную дуплексную связь. Поэтому оптоволоконные патч-корды часто выпускаются в виде соединённой пары. Некоторые современные системы с одним волокном передают и принимают данные на разных длинах волн, но наиболее распространённый вариант — отдельное волокно для передачи и отдельное для приёма.

Представьте длинный туннель со стенами из зеркал, по которому кто-то передаёт сигналы фонариком азбукой Морзе. Стены отражают свет, поэтому он проходит большое расстояние, почти не тускнея, и сообщение доходит до другого конца без искажений. Оптоволокно — это такой туннель из стекла, а вспышки — ваши данные. По туннелю не проходит электричество, поэтому внешние электрические помехи не могут нарушить сообщение.

Вы узнали, что оптоволокно передаёт данные в виде световых импульсов через стеклянную сердцевину, окружённую оболочкой, используя полное внутреннее отражение для удержания света. Благодаря этому оптоволокно обеспечивает высокую пропускную способность, большие расстояния и невосприимчивость к электромагнитным помехам. Трансиверы, например модули SFP, преобразуют электрические сигналы в световые и обратно. Оптоволокно дороже и хрупче, поэтому ему требуются чистые разъёмы, соблюдение радиуса изгиба и осторожность для защиты глаз. Оно используется в магистралях Интернета, центрах обработки данных и сетях кампусов.