В массовом сознании оптическое волокно прочно ассоциируется со стеклом, кварцевым песком, дорогостоящим оборудованием и специальными навыками, необходимыми для прокладки, сращивания и терминирования волокон. Между тем в тени громкого успеха стеклянного оптоволокна долгое время почти незамеченным остается его сверстник — пластиковое, или полимерное оптическое, волокно, история которого тоже восходит к началу семидесятых годов. Старт массовых проектов FTTH дает ему шанс если не на самостоятельную, то по крайней мере на совместную жизнь. POF и GOF уже дополняют друг друга в FTTH-проектах Европы, США и Китая.

 

Идея использования пластикового оптического волокна (Plastic Optical Fiber, POF) для передачи данных витает в воздухе на протяжении многих лет — практически с появления первых оптических линий передачи данных. Первое предприятие, которое продвигало оптические сети на основе POF, было создано еще в 1970 году. Несмотря на участие в проекте именитых компаний (Motorola производила оптоэлектронику, DuPont — волокно, а ITT — коннекторы) спрос, в отличие от цены, был невысок: как это иногда бывает, инженерное решение заметно опередило свое время и потому не было востребовано. Постепенно деятельность совместного предприятия сошла на нет, и DuPont уступила права на изготовление волокна американской компании Mitsubishi Rayon сроком на десять лет. Та, в свою очередь, зарегистрировала патент на волокно со ступенчатым показателем преломления — наиболее распространенное в настоящее время (Step Index POF, SI-POF), а с приходом в волоконную оптику более сложных методов модуляции, не исключено, и наиболее перспективное. Но обо всем по порядку.

А пока отметим, что для изготовления SI POF используются широко распространенные пластмассы — акриловое стекло (PMMA, известное также как оргстекло) и полистирол. В 2009 году объемы мировой индустрии POF достигли отметки 1 млрд долларов, а в 2011-м, по прогнозам, превысят 2,5 млрд долларов.

Сегодня пластиковое оптическое волокно употребляется для освещения и подсветки архитектурных объектов, в робототехнике, промышленности и домашних медиацентрах с оптическими интерфейсами FireWire (IEEE 1394b). Простота монтажа и широкий диапазон рабочих температур — от -40 до +85 0С (до 105 0С для некоторых видов POF) — сделали его прекрасным выбором для передачи мультимедийных потоков более чем в 20 млн автомобилей.

Кабели POF имеют небольшой диаметр, без ущерба для оптических характеристик выдерживают натяжение при прокладке до 220 Н (~22 кгс, кабель Lucina duplex), способны функционировать в самых суровых температурных режимах, допускают радиус изгиба до 5 мм, продолжая функционировать даже будучи завязаны узлом (волокно FONTEX компании Asahi Glass). Это позволяет использовать POF даже там, где не может быть проложена медная витая пара — например, в тесных закладных, под плинтусами и т. д. Более того, из-за высокой защищенности от электромагнитных помех его можно размещать непосредственно в коробах и лотках, предназначенных для прокладки силового кабеля. Еще одно преимущество — при разделке POF не образуются острые обломки и осколки, как в случае стеклянного волокна, которые могут проникнуть под кожу и в дальнейшем доставить немало неприятностей. И наконец, простота использования: некоторые виды POF режутся обычным ножом или ножницами, не требуют полировки, применения дорогостоящего инструмента, дополнительного обучения и даже — оконцовки разъемами.

 

РАЗНОВИДНОСТИ POF

Наибольшее распространение получили два вида POF — со ступенчатым (Step Index, SI) и градиентным (Gradient Index, GI) показателями преломления.

Принципиальной особенностью SI POF является большой диаметр сердечника (см. Рисунок 1) — 980 нм, почти миллиметр! С одной стороны, большая площадь сечения позволяет использовать в качестве источника света недорогие светодиоды и особо не утруждаться обработкой и полировкой торца волокна. С другой — в таком волокне могут распространяться несколько оптических лучей (так называемых мод), каждый из которых проходит разный путь от источника до приемника и имеет разные временные задержки. Возникающая в результате межмодовая дисперсия заметно сужает частотный диапазон оптоволокна, возможность передачи данных на больших скоростях и дальность связи.

 

 

Рисунок 1. Виды оптического волокна.

 

Впрочем, последняя и так уже ограничена другой особенностью SI POF — большим затуханием света, достигающим 160 дБ/км. Вследствие перечисленных факторов, скорость передачи данных по волокну SI POF в коммерческих решениях редко превышает 100–250 Мбит/с, а дальность связи ограничена максимум 100, а как правило — 50 м.

В качестве источника света обычно используются красные светодиоды с длиной волны 650 нм, приходящейся на наиболее длинноволновое окно прозрачности SI POF (см. Рисунок 2, a). С учетом того, что линии POF обычно используют два волокна — одно для приема, другое для передачи данных, «видимость» активного волокна заметно упрощает коммутацию разъемов и позволяет визуально оценить наличие сигнала в линии.

 

 

Рисунок 2. Затухание света в полимерном оптическом волокне со ступенчатым (a) и градиентным (б) показателями преломления.

 

Два других окна прозрачности — на длинах волн 520 и 570 нм — соответствуют зеленому и янтарному цвету, помогают добиться еще меньшего затухания и большей дальности связи и дают возможность применять схемы со спектральным уплотнением сигналов (WDM). В перспективе это позволит использовать вместо двух волокон, необходимых для организации полнодуплексного канала, одно, что еще больше упростит монтаж и прокладку полимерных волоконно-оптических сетей.

Следующим шагом в развитии технологий POF стала разработка волокна с заметно меньшим диаметром сердечника и плавно изменяющимся в сечении показателем преломления (Graded Index, GI POF). Диаметр центральной жилы разных типов такого волокна может составлять от 50 до 120 мкм. Волокна с меньшим значением диаметра имеют более широкий частотный диапазон, а с большим — отличаются удобством соединения и оконцовки волокон.

Материалом для изготовления сердечников GI служат оптически прозрачные разновидности фторполимеров, в частности фторопласт. Лучшие образцы GI POF используют фторполимеры CYTOP и Teflon AF, обладают затуханием на уровне 10–20 дБ/км и частотным диапазоном в несколько сотен мегагерц. Более того, CYTOP имеет окна прозрачности в диапазонах 850 и 1310 нм (см. Рисунок 2, б), что позволяет использовать его с уже имеющимся и наиболее распространенным активным оптическим оборудованием для локальных сетей как реальную альтернативу обычному оптическому волокну.

Для терминирования GI POF используются модифицированные разъемы SC и LC, а отсчет скоростей идет уже на десятки гигабит в секунду (сегодня разработчики примериваются к 40 и 100 Гбит/с). При этом производители, как и в случае SI POF, заявляют о минимальных требованиях к квалификации персонала и о чрезвычайной простоте и скорости операций по установке разъемов: для обеспечения минимальных потерь сигнала достаточно 30-секундной операции полировки; коннекторы обеспечивают механическое соединение и многоразовое использование; вместо прецизионных скалывателей применяется обычный нож или недорогой специальный инструмент.

GI POF является своеобразным компромиссом между SI POF и GOF. Фторполимеры, как можно судить из прайс-листов производителей, довольно дороги: стоимость кабеля возрастает практически в полтора раза по мере увеличения диаметра сердечника от 50 до 120 мкм. С уменьшением этого показателя, напротив, ужесточаются требования к точности изготовления разъемов и повышается трудоемкость операций.

Требования к POF зафиксированы стандартом IEC 60793-2-40, где предусмотрены несколько типов волокна: A4g с диаметром сердечника 120 мкм позиционируется для промышленных приложений, A4h с сердечником 62,5 мкм — для локальных сетей и центров обработки данных, а A4a.2 (это SI POF с сердечником диаметром 1 мм) — для передачи сигналов Fast Ethernet, FireWire и ряда других приложений.

 

ТЕРМИНИРОВАТЬ ИЛИ НЕ ТЕРМИНИРОВАТЬ

 

Рисунок 3. Трансиверы Ortolock обеспечивают непосредственное, без дополнительных разъемов, подключение кабеля SI POF.

Как уже говорилось, диаметр центральной жилы у SI POF в несколько раз (а то и на несколько порядков) больше, чем у стекловолокна, поэтому коннекторы для SI POF не требуют точной центровки: допуск может достигать 100 мкм — практически вдвое больше диаметра сердечника многомодового GOF. Эта особенность позволила компании Firecomms довести простоту коммутации волокна до логического предела: в месте подключения двужильный кабель SI POF отрезается обыкновенным ножом и разделяется на две жилы, которые затем вставляются в соответствующие порты трансивера OptoLock и защелкиваются (см. Рисунок 3), то есть операции полировки, установки разъемов на концах соединительного шнура и т. д. уже не нужны (наряду с Firecomms похожие решения предлагают и другие компании, включая Siemens). Для того чтобы не перепутать приемные и передающие порты, операции можно выполнять на кабеле, уже смонтированном и засвеченном на другом конце линии, тем самым обеспечивается наличие и контроль уровня сигнала — визуальный или с помощью специализированных недорогих пробников, иногда поставляемых в комплекте с адаптерами POF, медиаконвертерами и их наборами.

В качестве источника света Firecomms использует светодиоды с объемными резонаторами RCLED, длиной волны 650 нм и временем наработки на отказ 400 000 часов. Светодиоды этого типа отличаются повышенной светоотдачей и широко применяются, например, в светодиодных лампах. Иначе говоря, они достаточно распространены и недороги, и, скорее всего, производители будут их стремительно совершенствовать, попутно делая решения на базе SI POF еще доступнее и эффективнее.

 

НА ПУТИ К ЦИФРОВОМУ ДОМУ

Благодаря простоте установки и высоким скоростям передачи данных SI POF оказывается прекрасным выбором для подключения приставок IPTV и объединения сетевого оборудования в квартирах. Действительно, прокладка и оконцовка кабеля Ethernet требует наличия специальных знаний, навыков и инструмента для обжима разъемов. WiFi имеет определенные ограничения по дальности связи: для создания скоростной сети в пределах дома или квартиры могут потребоваться несколько точек доступа. Ограничения по пропускной способности свойственны и оборудованию HomePlug, обеспечивающему передачу данных по силовой проводке, являющейся разделяемой средой передачи данных. Пластиковый кабель заметно тоньше кабеля Ethernet (сечение двухволоконного кабеля — 2x4,5 мм2) и, в отличие от HomePlug, позволяет организовывать двухточечные соединения на скорости до 250 Мбит/с и более.

О заметном сокращении времени прокладки домашних сетей при предоставлении услуг IPTV сообщают операторы Orange, Swisscom, Portugal Telecom и AT&T. Компании Motorola и Cisco включают опциональные порты POF в приставки IP-телевидения. В начале 2010 года Европейский институт телекоммуникационных стандартов опубликовал требования к сетям SI POF с пропускной способностью 100 Мбит/с и 1,25 Гбит/с в целях обеспечения совместимости между оборудованием разных производителей.

 

POF: ТЕНДЕНЦИИ

Одним из наиболее существенных ограничений SI POF является узкий частотный диапазон, который для линий длиной 50 м составляет около 70 МГц, а для линий протяженностью 100 м не превышает 40 МГц. Стремясь увеличить скорость передачи данных, разработчики используют более эффективные методы модуляции, осваивают новые окна прозрачности и длины волн, зеленые и синие светодиоды, высокоскоростные АЦП и ЦАП, а также цифровые методы обработки сигналов.

Такие меры позволяют довести скорости передачи данных по волокну SI до 1,95 Гбит/с на коротких, в пределах 40 м, расстояниях. На линии 100 м становится заметным преимущество зеленых светодиодов — они позволяют «разогнать» линию до 1,4 Гбит/с, оказываются эффективнее и не столь вредны для глаз, как красные лазеры VCSEL. Преимущества зеленых светодиодов сохраняются и на более длинных линиях (см. Рисунок 4).

 

 

Рисунок 4. Скорость доступа остается практически постоянной при дальности до 80 м и падает до 600 Мбит/с на линии длиной 200 м.

 

Такие параметры позволяют рекомендовать SI POF не только для домашних сетей, но и для сетей доступа в пределах 200–300 м, где они могут составить реальную альтернативу стеклу и меди, представляя собой более технологичное решение, лишенное к тому же принципиального ограничения медного Ethernet на длину линии в 100 м. При этом SI POF обладает заметно меньшим диаметром (два волокна диаметром 1,5–2,2 мм по сравнению с кабелем диаметром 7–8 мм для витой пары), что позволяет более эффективно использовать имеющиеся стояки и закладные. Это преимущество станет еще более заметным при одноволоконных подключениях со спектральным уплотнением каналов.

Но все это, надо полагать, дело будущего, возможно и недалекого. Пока же POF — и GI, и SI — в России встречают весьма настороженно. Как отмечает Сергей Логинов, директор представительства Reichle & De-Massari, в компанию периодически обращаются клиенты с просьбой просчитать тот или иной проект, но к реальным внедрениям российский рынок все еще не готов.

Георгий Башилов — научный редактор «Журнала сетевых решений/LAN».