Łącza światłowodowe: jak światło przenosi dane

Każdy materiał tej dokumentacji kończy się w tym samym miejscu — na szklanej nitce grubości jednej dziesiątej milimetra, niosącej impulsy światła podczerwonego. Łącze światłowodowe to nadajnik, który generuje impulsy, infrastruktura światłowodowa, która je przenosi, oraz odbiornik, który zamienia je z powrotem na bity, a do tego wszystko pomiędzy: złącza, panele krosowe, spawy, splittery i filtry. Ta sekcja wyjaśnia fizykę i inżynierię stojącą za tym łańcuchem w stopniu potrzebnym do projektowania, testowania i diagnozowania łącza — dlaczego światło pozostaje w światłowodzie, co je osłabia i rozmywa, jak daleko może dotrzeć dany moduł optyczny, z czego zbudowana jest infrastruktura pasywna, jak się ją mierzy i jak ulega awarii.

Dlaczego światłowód

Łańcuch łącza

Łącze to seria elementów, z których każdy wprowadza stratę, a niektóre również zniekształcenie:

1. Nadajnik — laser lub VCSEL w transceiverze, emitujący −8 … +4 dBm światła przy 850, 1310 lub 1550 nm (Lasery).
2. Patchcord — zworka o długości 1–5 m od modułu do panelu krosowego; dwa czoła złączy.
3. Panel krosowy / ODF — adapter, w którym zworka spotyka się z pigtailem zespawanym z kablem.
4. Kabel — wewnętrzny, zewnętrzny lub hybrydowy, od metrów do dziesiątków kilometrów, od jednego do setek włókien (Infrastruktura pasywna).
5. Spawy, splittery, filtry — spawy termiczne wzdłuż trasy; splittery PON lub multipleksery WDM tam, gdzie wymaga tego topologia.
6. Panel i patchcord po drugiej stronie — lustrzane odbicie.
7. Odbiornik — fotodioda w transceiverze po drugiej stronie, wymagająca −12 … −28 dBm w zależności od typu (Odbiorniki).

Budżet mocy łącza to obliczenia, które sumują straty punktów 2–6, porównują je z różnicą między punktami 1 i 7 i pozostawiają zapas mocy (Budżet mocy łącza).

Cztery czynniki, które ograniczają łącze

Światłowód w jednym akapicie

Światło pozostaje w rdzeniu, ponieważ współczynnik załamania rdzenia jest nieco wyższy niż płaszcza — całkowite wewnętrzne odbicie. Światłowód jednomodowy (rdzeń 9 µm) prowadzi jedną drogę światła i sięga dziesiątek kilometrów; światłowód wielomodowy (rdzeń 50 µm) prowadzi setki dróg, które docierają w nieco różnym czasie, co ogranicza go do setek metrów, ale pozwala pracować z tanimi laserami VCSEL 850 nm. Szczegóły — mody, apertura numeryczna, straty na zgięciach, kategorie światłowodu OM1–OM5 i OS2 — są w Jak rozchodzi się światło oraz Złącza i typy światłowodu.

Generacje łączy światłowodowych

Strona transceiverowa tej historii: Czym jest transceiver.

Dalsza lektura

• Jak rozchodzi się światło w światłowodzie — współczynnik załamania i całkowite wewnętrzne odbicie, apertura numeryczna, mody, jednomodowy a wielomodowy, średnica pola modowego, długość fali odcięcia, straty na zgięciach, kategorie światłowodu.
• Tłumienie i okna transmisyjne — rozpraszanie Rayleigha i absorpcja, pik wodny, okna 850/1310/1550 nm, dB/km w zależności od światłowodu i długości fali, straty na złączach i spawach.
• Dyspersja i szerokość pasma — dyspersja modowa, chromatyczna i polaryzacyjna, iloczyn szerokości pasma i odległości, zasięg ograniczony dyspersją, kompensacja.
• Rodzaje światłowodów — jednomodowe ITU-T G.652–G.657, kategorie wielomodowe OM1–OM5, światłowody specjalne, straty na złączu światłowodów różnych typów, identyfikacja zainstalowanego światłowodu.
• Efekty nieliniowe — SPM, XPM, FWM, rozpraszanie Brillouina i Ramana, gdzie mają znaczenie, optymalna moc nadawana, ograniczanie ich wpływu.
• Odbicia i tłumienność odbiciowa — odbicie Fresnela, reflektancja a ORL, typowe wartości dla poszczególnych elementów, wymagania norm, pomiar, jak utrzymywać niski poziom odbić.
• Jak powstaje światłowód — materiały, preformy MCVD/OVD/VAD/PCVD, ciągnienie i powlekanie, test wytrzymałościowy i kontrola jakości, światłowody specjalne, co to oznacza w terenie.
• Niezawodność i starzenie — wytrzymałość i zmęczenie statyczne, zasady dotyczące gięcia i naprężeń, mechanizmy starzenia, żywotność poszczególnych elementów, światłowód według epoki, projektowanie z uwzględnieniem starzenia.
• Budżet mocy łącza — równanie, dopuszczalne straty, kary, polityka zapasu mocy, przykłady obliczeń, przesterowanie odbiornika i tłumiki.
• Infrastruktura pasywna — kable, panele krosowe, pigtaile, spawy, tłumiki, splittery, filtry WDM, obudowy i ich dopuszczalne straty.
• Konstrukcja kabla — warstwy, rodziny kabli od luźnej tuby po OPGW i wstążkę zwijaną, klasy odporności ogniowej, kody kolorów, czytanie karty katalogowej kabla, wybór kabla.
• Topologie sieci światłowodowych — punkt-punkt, pierścienie, siatki, drzewa PON, WDM; okablowanie strukturalne, wzorce centrów danych, FTTx, planowanie liczby włókien, ochrona.
• Trasy kablowe i instalacja — kanalizacja, układanie bezpośrednio w gruncie, linie napowietrzne, trasy wewnętrzne; limity gięcia i naprężeń, planowanie trasy, mufy, oznaczanie, odbiór.
• Dokumentacja i oznaczenia — zestaw rejestrów, schematy identyfikatorów, etykiety, normy, narzędzia, proces i jego typowe błędy.
• Aktywna infrastruktura optyczna — pasywne kontra aktywne, mapa elementów aktywnych, dokąd trafiają decybele, własność i demarkacja, cykl życia.
• Transceivery w łączu — dobór modułu do światłowodu i odległości, budżet od strony modułu, złącza i polaryzacja, kompatybilność, diagnostyka, typowe niedopasowania.
• Wzmacniacze i regeneracja — gdy budżet się kończy, EDFA/Raman/SOA/OEO, rozmieszczenie, budżet OSNR, eksploatacja linii wzmacnianej, wzmacniać, regenerować czy przejść na koherentną transmisję.
• Sprzęt transportowy i dostępowy — konwertery mediów, transpondery, ROADM-y, OLT/ONU, przełączniki ochronne, zasilanie i obiekty, zarządzanie, pułapki.
• Monitorowanie i zarządzanie — warstwy widoczności, alarmy i ich znaczenie, wartości bazowe i trendy, protokoły i narzędzia, korelowanie danych modułu i światłowodu.
• Spawanie i zakańczanie — proces spawania termicznego, spawy mechaniczne, pigtaile i złącza montowane w terenie, kryteria odbioru i defekty.
• Testowanie i pomiary — źródło światła i miernik mocy, OTDR, tłumienność odbiciowa, inspekcja czoła złącza, certyfikacja, wykorzystanie DDM jako miernika.
• Odczytywanie reflektogramu OTDR — parametry ustawień, katalog zdarzeń, strefy martwe i zakres dynamiczny, uśrednianie dwukierunkowe, przeliczanie odległości na trasę, błędne odczyty, światłowód czynny i PON.
• Inspekcja i czyszczenie czoła złącza — co robi zanieczyszczenie, strefy i kryteria IEC 61300-3-35, sprzęt i technika, rodzaje zanieczyszczeń, metody czyszczenia, procedura.
• Charakteryzacja światłowodu — kiedy jest potrzebna, testy, limity dla poszczególnych usług, odczytywanie wyników pod kątem tożsamości i wieku światłowodu, procedura i raportowanie.
• Usterki infrastruktury światłowodowej — zgięcia, zabrudzenia, niedopasowania, złe spawy, odbicia, woda: objawy, sygnatury, sposoby usunięcia.
• Konserwacja i przywracanie — cykl prewencyjny, monitorowanie, części zapasowe, proces przywracania, główne przyczyny awarii, cykl życia infrastruktury.
• Bezpieczeństwo i postępowanie — klasy laserów i poziomy zagrożenia, zasady pracy na światłowodzie czynnym, szkło i chemikalia, zagrożenia na obiekcie, obsługa modułów i przewodów.
• Mapa norm — ITU-T, IEC, TIA/ISO, Telcordia, IEEE/OIF i dokumenty krajowe według organizacji i według zadania, oznaczenia zestawione obok siebie.
• Słownik pojęć światłowodowych — pojęcia dotyczące światła, rodzajów światłowodu i kabla, elementów pasywnych, złączy, instalacji, testowania i eksploatacji.
• Typowe wartości — tłumienie, dopuszczalne straty, reflektancja, geometria, dyspersja, limity mechaniczne, długości fali, wartości OTDR, budżety interfejsów, moc i bezpieczeństwo.
• Wzory i obliczenia — decybele, tłumienie, parametry prowadzenia światła, dyspersja, budżet łącza, odbicia, OTDR, opóźnienie, mechanika i obliczenia planistyczne, każdy z przykładem liczbowym.

W CodingBox

DDM transceivera to wbudowany miernik mocy łącza: moc nadawana na jednym końcu, moc odbierana na drugim, a różnica to strata infrastruktury — którą CodingBox odczytuje na stanowisku, a przełącznik odczytuje podczas pracy (DDM w aplikacji, Moc Rx i budżet łącza).