Волоконно-оптическая связь приходит в каждый дом

Сегодня все чаще мы слышим о оптическом волокне, волоконно-оптических линиях связи и о том, что ВОЛС приходит в каждый дом. Предлагаем вашему вниманию небольшой обзор.

Волоко?нно-опти?ческая связь — вид проводной электросвязи, использующий в качестве носителя информационного сигнала электромагнитное излучение оптического (ближнего инфракрасного) диапазона, а в качестве направляющих систем — волоконно-оптические кабели. Благодаря высокой несущей частоте и широким возможностям мультиплексирования, пропускная способность волоконно-оптических линий многократно превышает пропускную способность всех других систем связи и может измеряться терабитами в секунду.

Малое затухание света в оптическом волокне обуславливает возможность применения волоконно-оптической связи на значительных расстояниях без использования усилителей. Волоконно-оптическая связь свободна от электромагнитных помех и весьма труднодоступна для несанкционированного использования — незаметно перехватить сигнал, передаваемый по оптическому кабелю, технически крайне сложно.

Физическая основа
В основе волоконно-оптической связи лежит явление полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления. Оптическое волокно состоит из двух элементов — сердцевины, являющейся непосредственным световодом, и оболочки. Показатель преломления сердцевины несколько больше показателя преломления оболочки, благодаря чему луч света, испытывая многократные переотражения на границе сердцевина-оболочка, распространяется в сердцевине, не покидая ее.

Применение
Волоконно-оптическая связь находит все более широкое применение во всех областях — от компьютеров и бортовых космических, самолетных и корабельных систем до систем передачи информации на большие расстояния, например, в настоящее время успешно используется волоконно-оптическая линия связи Западная Европа — Япония, большая часть которой проходит по территории России. Кроме того, увеличивается суммарная протяженность подводных волоконно-оптических линий связи между континентами.

Волокно в каждый дом (англ. Fiber to the premises, FTTP или Fiber to the home, FTTH) — термин, используемый телекоммуникационными провайдерами для обозначения широкополосных телекоммуникационных систем, базирующихся на проведении волоконного канала и его завершения на территории конечного пользователя путем установки терминального оптического оборудования для предоставления комплекса телекоммуникационных услуг, включающего:
• высокоскоростной доступ в Интернет;
• услуги телефонной связи;
• услуги телевизионного приема.

Стоимость использования волоконно-оптической технологии уменьшается, что делает данную услугу конкурентоспособной по сравнению с традиционными услугами.

История
Историю систем передачи данных на большие расстояния следует начинать с древности, когда люди использовали дымовые сигналы. С того времени эти системы кардинально улучшились, появились сначала телеграф, затем — коаксиальный кабель. В своем развитии эти системы рано или поздно упирались в фундаментальные ограничения: для электрических систем это явление затухания сигнала на определенном расстоянии, для СВЧ — несущая частота. Поэтому продолжались поиски принципиально новых систем, и во второй половине XX века решение было найдено — оказалось, что передача сигнала с помощью света гораздо эффективнее как электрического, так и СВЧ-сигнала.

В 1966 году Као и Хокман из STC Laboratory (STL) представили оптические нити из обычного стекла, которые имели затухание в 1000 дБ/км (в то время как затухание в коаксиальном кабеле составляло всего 5-10 дБ/км) из-за примесей, которые в них содержались и которые в принципе можно было удалить.

Существовали две глобальные проблемы при разработке оптических систем передачи данных: источник света и носитель сигнала. Первая разрешилась с изобретением лазеров в 1960 году, вторая — с появлением высококачественных оптических кабелей в 1970 году. Это была разработка Corning Incorporated (англ.). Затухание в таких кабелях составляло около 20 дБ/км, что было вполне приемлемым для передачи сигнала в телекоммуникационных системах. В то же время были разработаны достаточно компактные полупроводниковые GaAs-лазеры.

После интенсивных исследований в период с 1975 по 1980 год появилась первая коммерческая волоконно-оптическая система, оперировавшая светом с длиной волны 0,8 мкм и использовавшая полупроводниковый лазер на основе арсенида галлия (AsGa). Битрейт систем первого поколения составлял 45 Мбит/с, расстояние между повторителями — 10 км.

22 апреля 1977 года в Лонг-Бич, штат Калифорния, компания General Telephone and Electronics впервые использовала оптический канал для передачи телефонного трафика на скорости 6 Мбит/с.

Второе поколение волоконно-оптических систем было разработано для коммерческого использования в начале 1980-х годов. Они оперировали светом с длиной волны 1,3 мкм от InGaAsP-лазеров. Однако такие системы все еще были ограниченны из-за рассеивания, возникающего в канале. Однако уже в 1987 году эти системы работали на скорости до 1,7 Гбит/с при расстоянии между повторителями 50 км.

Первый трансатлантический телефонный оптический кабель — ТАТ-8 — был введен в эксплуатацию в 1988 году. В его основе лежала оптимизированная технология Desurvire усиления лазера.

ТАТ-8 разрабатывался как первый подводный волоконно-оптический кабель между Соединенными Штатами и Европой.

Разработка систем волнового мультиплексирования позволила в несколько раз увеличить скорость передачи данных по одному волокну и к 2003 году при применении технологии спектрального уплотнения была достигнута скорость передачи 10,92 Тбит/с (273 оптических канала по 40 Гбит/с). В 2009 году лаборатории Белла посредством мультиплексирования 155 каналов по 100 Гбит/с удалось передать сигнал со скоростью 15,5 Тбит/с на расстояние 7000 километров.

Материалы
Стеклянные оптические волокна делаются из кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как флуоро-цирконат, флуоро-алюминат и халькогенидные стекла. Как и другие стекла, эти имеют показатель преломления около 1,5.

В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон. Сердечник в таком волокне изготовляют из полиметилметакрилата (PMMA), а оболочку из фторированных PMMA (фторполимеров).

Конструкция
Оптическое волокно, как правило, имеет круглое сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479. Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней. Возможны и более сложные конструкции: в качестве сердцевины и оболочки могут применяться двумерные фотонные кристаллы, вместо ступенчатого изменения показателя преломления часто используются волокна с градиентным профилем показателя преломления, форма сердцевины может отличаться от цилиндрической. Такие конструкции обеспечивают волокнам специальные свойства: удержание поляризации распространяющегося света, снижение потерь, изменение дисперсии волокна и др.

Кабель для волоконно-оптической линии связи

Оптические волокна, используемые в телекоммуникациях, как правило, имеют диаметр 125±1 микрон. Диаметр сердцевины может отличаться в зависимости от типа волокна и национальных стандартов.

Классификация
Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 9 микрон. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну лишь одной моды электромагнитного излучения, за счет чего исключается влияние дисперсионных искажений. В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми.

Существует три основных типа одномодовых волокон:
Одномодовое ступенчатое волокно с несмещенной дисперсией (стандартное) (англ. SMF — Step Index Single Mode Fiber) определяется рекомендацией ITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи.
Одномодовое волокно со смещенной дисперсией (англ. DSF — Dispersion Shifted Single Mode Fiber) определяется рекомендацией ITU-T G.653. В волокнах DSF с помощью примесей область нулевой дисперсии смещена в третье окно прозрачности, в котором наблюдается минимальное затухание.
Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией (англ. NZDSF — Non-Zero Dispersion Shifted Single Mode Fiber) определяется рекомендацией ITU-T G.655.

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62,5 микрона в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения — каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе — показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т. д.

Полимерные (пластиковые) волокна производят диаметром 50, 62,5, 120 и 980 микрон и оболочкой диаметром 490 и 1000 мкм.

Другие применения оптического волокна
Оптические волокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптические волокна направляют солнечный свет с крыши в какую-нибудь часть здания. Волоконно-оптическое освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные рождественские елки.

Оптическое волокно также используется для формирования изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно с линзами — например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.

Один из способов механической шифровки изображения заключается в следующем: большое количество оптических волокон, оба конца которых расположены упорядоченно, тщательно переплетают в середине, а затем разрезают пополам. Одна половина получившейся конструкции используется для шифровки изображения, а другая — для дешифровки: изображение, пройдя через переплетенные световоды, превращается в бессмысленный набор точек разного цвета, но после прохода через вторую половину этот набор точек восстанавливается до оригинала. Преимущество этого метода заключается в простоте изготовления шифрующего механизма и в невозможности расшифровать передаваемое изображение без шифратора или дешифратора (шифратор и дешифратор в такой системе абсолютно взаимозаменяемы). Недостаток заключается в значительной потере качества изображения, зависящей от толщины используемых световодов, и в необходимости очень точно позиционировать зашифрованное изображение перед дешифратором — малейший перекос будет препятствовать расшифровке.

Александр Грэхем Белл— американский ученый, изобретатель и бизнесмен шотландского происхождения, один из основоположников телефонии, основатель компании Bell Telephone Company (англ.), определившей все дальнейшее развитие телекоммуникационной отрасли в США.

Александр Белл родился 3 марта 1847 года в шотландском городе Эдинбурге. Слово Грэхем он добавил к своему имени позже, как знак уважения к другу своей семьи, Александру Грэхем. Несколько близких родственников Белла, в частности, его дед, отец и дядя, были профессиональными риторами. Отец будущего изобретателя даже опубликовал трактат об искусстве красноречия.

В возрасте 13 лет Белл окончил Королевскую школу в Эдинбурге, в возрасте 16 лет получил должность учителя красноречия и музыки в Академии Уэстон-Хауз. Один год Александр учился в Эдинбургском университете, потом переехал в английский город Бат.

После того, как два брата Александра умерли от туберкулеза, семья решила переехать в Канаду. В 1870 году Беллы обосновались в городе Брантфорд, провинция Онтарио. Еще в Шотландии Белл начал интересоваться возможностью передачи сигнала по каналам электросвязи. В Канаде он продолжил заниматься изобретательством, в частности создал электрическое фортепиано, приспособленное для передачи музыки по проводам.

Александр Белл говорит в первую модель телефона

В 1873 году Белл получил должность преподавателя физиологии речи в Бостонском университете. В 1876 году он получил патент США № 174465, описывающий «метод и аппарат… для передачи речи и других звуков по телеграфу… с помощью электрических волн». Фактически речь шла о телефоне. Кроме того, Белл вел работы по использованию в телекоммуникации светового луча — направление, впоследствии приведшее к созданию волоконно-оптических технологий.

Источник: http://ru.wikipedia.org/wiki/Белл,_Александр_Грэм

ВОЛС в Узбекистане
Приоритетным направлением развития транспортной сети Узбекистана является перевод сети на широкое использование волоконно-оптических линий связи с цифровыми системами передачи ЦСП. Это позволило организовать надежную высококачественную связь не только между «телефонными континентами», но и связь на Национальной телекоммуникационной сети Узбекистана. Реализация этой задачи стала возможной с 1997 года после завершения строительства и введения в эксплуатацию национального сегмента TAE — крупномасштабного международного проекта «Транс-Азиатско-Европейской волоконно-оптической линии связи» (TAE-ВОЛС).

ТАЕ-ВОЛС — это телекоммуникационная сеть высокого качества, построенная на базе волоконно-оптических линий с использованием цифровых систем передачи, обеспечивающих высокоскоростную безошибочную передачу сигнала с минимальными помехами.

TAE-ВОЛС — это международная телекоммуникационная сеть, связывающая Азию и Европу, имеет протяженность 27 тыс. км, протянулась от Шанхая (КНР) до Франкфурта-на-Майне (Германия) и охватила 18 стран. Трасса часто проходит под водой по дну Черного и Каспийского морей.
На территории Узбекистана первоочередная линия ВОЛС протянулась от границы с Казахстаном (пос. Абай) до границы с Туркменистаном (г. Алат) и протяженность составляет 950 км. Источник: http://library.tuit.uz/lectures/TSiSK/osnovi_telekom.htm

На заседании Кабинета Министров Республики Узбекистан, посвященном итогам социально-экономического развития страны в 2010 году и важнейшим приоритетам экономической программы на 2011 год, Президент Узбекистана Ислам Каримов поставил задачу — обеспечить развитие и модернизацию телекоммуникационной сети на основе внедрения современных широкополосных и оптических технологий, ввод свыше 950 километров волоконно-оптической линии связи, расширения транспортной сети передачи данных в областные центры.

Акционерной компанией «Узбектелеком», согласно инвестиционной программе на 2011 год, за прошедший период сданы в эксплуатацию следующие магистральные оптико-волоконные линии связи:
• ВОЛС «Тойтепа — Уртасарой» протяженностью 16,464 км;
• ВОЛС «РТС Коканд» протяженностью 8,131 км;
• ВОЛС «Джизак — Булунгур» протяженностью 73,26 км.

В результате реализации ряда перспективных проектов АК «Узбектелеком» по дальнейшему развитию и модернизации телекоммуникационных сетей заметно улучшается инфраструктура связи.

По всей стране на уровне районных центров морально устаревшие аналоговые телефонные станции заменены на современные цифровые. На основе оптико-волоконных линий связи созданы высокоскоростные цифровые каналы, ведется работа по расширению сети и повышению ее надежности. Созданная инфраструктура служит базой для стремительного развития беспроводных технологий, в частности, мобильной связи. В результате уровень покрытия цифровой телекоммуникационной сетью областей, районных центров и городов республики составил 100 процентов, уровень покрытия телекоммуникационной сетью сельских населенных пунктов — 95,7 процента.

Волокно приходит в каждый дом
Сегодня в Узбекистане многие интернет-провайдеры и операторы связи ведут работы по технологиям — «Оптика в каждый дом» (например, FTTB (Fiber To The Building — «Оптика в дом»).

Так, например, в июле 2009 года Единый оператор связи «Билайн» (ООО «Unitel» и СП ООО «Buzton») объявил о завершении строительства сети FTTB (Fiber To The Building — «Оптика в дом») в г. Зарафшан Навоийской области.

Почти в это же время завершилось строительство сети FTTB (Fiber To The Building — «Оптоволокно в дом») от «Билайна» в г. Учкудук Навоийской области.

Активно ведется строительство мультисервисных сетей на основе ВОЛС и в Ташкенте. Так, например, филиал «ТShТТ» акционерной компании «Узбектелеком», в целях повышения качества и расширения предоставляемых услуг ведет масштабные работы по прокладке оптоволокна к жилым массивам города, установке соответствующего коммуникационного оборудования и интенсивному внедрению услуг мультисервисных сетей повсеместно в Ташкенте. Филиал «ТShТТ» применяет несколько технологий: GEPON и FTTх.

Технология GЕPON
Технология GEPON (Gigabit Ethernet Passive Optical Network) является одной из разновидностей технологии пассивных оптических сетей PON и одним из самых современных вариантов строительства сетей связи, обеспечивающим высокую скорость передачи информации (до 1,2 Гбит/с).

Основное преимущество технологии GEPON заключается в том, что она позволяет оптимально использовать волоконно-оптический ресурс кабеля. Например, для подключения 64 абонентов в радиусе 20 км достаточно задействовать всего один волоконно-оптический сегмент.

Кратко о технологии FTTх
FTTx — Fiber To The X (Оптическое волокно до…) — понятие, описывающее общий подход к организации кабельной инфраструктуры сети доступа, в которой от узла связи до определенного места (точка «х») доходит оптоволокно, а далее, до абонента, — медный кабель (возможен и вариант, при котором оптика прокладывается непосредственно до абонентского устройства). FTTx неразрывно связано с возможностью предоставления большого числа новых услуг.

В семейство FTTx входят различные виды архитектур:
• FTTN (Fiber to the Node) — волокно до сетевого узла;
• FTTC (Fiber to the Curb) — волокно до микрорайона, квартала или группы домов;
• FTTB (Fiber to the Building) — волокно до здания;
• FTTH (Fiber to the Home) — волокно до жилища (квартиры или отдельного коттеджа).

Они отличаются главным образом тем, насколько близко к пользовательскому терминалу подходит оптический кабель.

Архитектура FTTB получила наибольшее распространение, так как при строительстве сетей FTTx на базе Ethernet (ЕТТх) часто это единственная технически возможная схема. Кроме этого, операционные расходы при эксплуатации сети FTTB ниже, а пропускная способность выше. Архитектура FTTB доминирует во вновь возводимых домах и у крупных операторов связи, тогда как FTTH будет востребована только в новом малоэтажном строительстве. В первую очередь это связано с существенно более высокой стоимостью ее реализации по сравнению со стоимостью сети FTTC/FTTB, отсутствием преимуществ в полосе пропускания для пользователя.

Схема FTTB и пример установки оборудования филиалом «ТShТТ» АК «Узбектелеком»

На сайте филиала www.tshtt.uz можно получить информацию по адресам объектов (домов), где установлено оборудование FTTB, и контакты для подачи заявлений.

Завершая статью, хотелось бы отметить, что перспективы применения технологий волоконно-оптической связи очень широкие. В самое ближайшее время волокно придет в каждый дом.

Для написания данной статьи автор использовал открытые источники и, прежде всего, свободную энциклопедию http://ru.wikipedia.org

Orphus system