Artykuły

Wstęp

Oczekuje się, że światowy rynek światłowodów wzrośnie do 7,89 mld USD do 2025 roku przy CAGR wynoszącym 11,7% w okresie prognozy 2018-2025, według raportu przygotowanego przez Fior Markets. Wynika to z rosnącego zapotrzebowania na światłowody FTTx (Fiber to the x), ponieważ coraz częściej korzystamy z bezpiecznych, wymagających dużej przepustowości, szybkich aplikacji o dużej szybkości transmisji danych, zarówno w życiu biznesowym, jak i prywatnym.

 

Podstawy: Fotony a elektrony
W przeciwieństwie do transmisji opartej na przewodach miedzianych, w której transmisja w całości zależy od sygnałów elektrycznych przechodzących przez kabel, transmisja światłowodowa obejmuje sygnały w postaci światła. W światłowodowej sieci komunikacyjnej, w której zastosowano przedłużacze, dane wprowadzane w postaci sygnałów elektrycznych są przekształcane przez lokalną jednostkę nadawczą na sygnał świetlny za pośrednictwem źródła światła, takiego jak laser. Aby transmisja była jak najbardziej efektywna, amplituda, częstotliwość i fazy źródła światła muszą być stabilne i pozbawione fluktuacji. Wiązka światła ze źródła przemieszcza się światłowodem do miejsca przeznaczenia, gdzie dane są przekształcane z powrotem na sygnały elektryczne przez zdalny odbiornik.

Więcej szczegółów na temat kabli światłowodowych i rodzajów transmisji omówiono w dalszej części artykułu. Na początek przyjrzyjmy się niektórym zaletom kabli światłowodowych w porównaniu z kablami miedzianymi.

Główne zalety transmisji światłowodowej

Istnieją cztery główne zalety światłowodów w porównaniu z transmisją opartą na przewodach miedzianych:

• większa przepustowość
• dłuższy dystans, większa prędkość
• większa odporność
• większe bezpieczeństwo

 

Większa przepustowość
Kable światłowodowe zapewniają znaczną szerokość pasma dla transmisji sygnałów i mogą przenosić znacznie więcej danych niż kable miedziane o tej samej średnicy. Do porównywania możliwości mediów transmisyjnych w tym zakresie używa się iloczynu szerokość pasma-odległość (Bandwidth-Distance Product - BDP), przy czym media o wyższym BDP mają większą odległość transmisji przy przesyłaniu danych o tej samej szerokości pasma. Im wyższy współczynnik BDP, tym szybciej można przesyłać nieskompresowane wideo i na większe odległości, zachowując przy tym dokładnie taką samą jakość, jak w przypadku sygnału natywnego. Na przykład standardowa wartość BDP dla światłowodu wielomodowego wynosi 500 MHz/km, co oznacza, że 500-metrowy światłowód wielomodowy może transmitować sygnał o częstotliwości 1 GHz.

Jak widać na poniższej grafice, która przedstawia transmisję sygnału o tej samej szerokości pasma przez różne nośniki, współczynnik BDP dla światłowodu jednomodowego jest znacznie wyższy niż dla światłowodu wielomodowego, wyższy niż dla skrętki miedzianej i wyższy niż dla standardowego kabla HDMI.

Dłuższy dystans, większa prędkość
Jeśli chodzi o fotony w porównaniu z elektronami, światło w światłowodach porusza się z prędkością około dwóch trzecich prędkości światła, podczas gdy elektrony w kablach miedzianych osiągają zaledwie jeden procent tej prędkości. Ta ogromna przewaga prędkości ma ogromny wpływ na potencjalne odległości. Podczas gdy kable miedziane są w większości przypadków ograniczone do standardowej odległości 100 m, kable światłowodowe mogą przesyłać treści o dużej przepustowości na bardzo duże odległości przy niewielkiej średnicy. Światłowód wielomodowy może na przykład potroić tę odległość w przypadku sygnału HDMI 4K, a w zależności od rodzaju kabla, długości fali i pozostałej części sieci światłowód jednomodowy może przesłać ten sam sygnał na odległość nawet 10 km.

Większa odporność
W przeciwieństwie do metod transmisji opartych na miedzi, kable światłowodowe nie zawierają elementów metalowych. Dzięki temu są odporne na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i zakłócenia częstotliwości radiowej (RFI). Ponadto kable światłowodowe są odporne na ekstremalne zmiany temperatury i wilgotności, które mogą utrudniać transmisję w przypadku kabli miedzianych.

Większe bezpieczeństwo
Ponieważ kable światłowodowe nie przewodzą sygnałów elektrycznych, niemożliwe jest zdalne wykrycie przesyłanego sygnału danych, a próby fizycznego dostępu byłyby wykrywalne przez nadzór. To bezpieczeństwo sprawia, że światłowody są wybierane jako metoda transmisji w takich branżach, jak administracja rządowa i banki. Pod względem bezpieczeństwa kable światłowodowe nie stanowią również zagrożenia w środowiskach zagrożonych iskrami, takich jak zakłady chemiczne i rafinerie ropy naftowej.

 

Wady światłowodów
Oprócz dodatkowych kosztów, światłowody mają też inne wady. Światłowody są wykonane ze szkła, a więc są bardziej delikatne niż przewody miedziane i trzeba się z nimi ostrożniej obchodzić. Są też trudniejsze w instalacji, głównie ze względu na fakt, że w przeciwieństwie do kabli miedzianych nie można ich wygodnie splatać. Ponadto transmisja danych nie odbywa się całkowicie w domenie optycznej, dlatego konieczna jest wielokrotna konwersja sygnału elektrycznego na optyczny i elektrycznego na elektryczny. Ponadto, wraz ze wzrostem odległości, większa część światła przenoszącego sygnał danych ulega rozproszeniu. Istnieją dwie konkretne długości fal (1310 nm i 1550 nm), które mogą temu przeciwdziałać i zapewniają niższe tłumienie, ale lasery o wąskim spektrum przy tych długościach fal są trudniejsze w produkcji, więc koszty niezmiennie rosną wraz z odległością.

Technologia transmisji światłowodowej

Kable światłowodowe przesyłają sygnały za pomocą impulsów świetlnych przez szklane włókna. Na potrzeby takich sieci światłowodowych firma ATEN oferuje różne rozwiązania przedłużaczy optycznych, w tym modele Pro AV i KVM.

Struktura kabla światłowodowego
Kable światłowodowe składają się z centralnego rdzenia o wysokim współczynniku załamania światła, zbudowanego z jednej lub wielu włókien szklanych, po którym porusza się sygnał świetlny. Na zewnątrz rdzenia znajduje się okładzina, która ma niski współczynnik załamania światła, co zapewnia, że światło płynie do wewnątrz, a nie na zewnątrz. Na koniec kable posiadają powłokę buforową, której grubość może być różna, oraz kolorowy płaszcz ułatwiający identyfikację.

 

Światłowód wielomodowy i jednomodowy
Dwa główne typy kabli światłowodowych to kable jednomodowe i wielomodowe. Kable jednomodowe obsługują znacznie większe odległości i prędkości niż kable wielomodowe, ponieważ mają mniejszy rdzeń i pracują na wyższej długości fali, co powoduje, że sygnał świetlny jest bardziej skupiony. Rdzeń kabla jednomodowego ma długość 8-9 mikronów w porównaniu z 50-62,5 mikronami w przypadku kabla wielomodowego, a kabel jednomodowy wykorzystuje długość fali 1310 nm / 1550 nm, podczas gdy kabel wielomodowy 650-850 nm. Jak widać na diagrami powyżej, światłowodowy ekstender HDMI ATEN VE883 K1 może przedłużyć sygnał 4K na odległość do 300 m za pomocą kabli wielomodowych, podczas gdy światłowodowy ekstender KVM USB DVI CE690 przedłuża sygnały AV i RS-232/USB na odległość do 20 km, wykorzystując tryb jednomodowy.

Klasyfikacje kabli
Kable wielomodowe o średnicach rdzenia 50- i 62,5 mikrona są klasyfikowane odpowiednio jako OM2/3/4 i OM1. Kable OM1 i OM2 zwykle wykorzystują źródło światła LED i mają pomarańczowy kolor powłoki, natomiast kable OM3 i OM4 zwykle wykorzystują źródła światła VCSEL 850 nm i mają powłoki w kolorze morskim. Kable jednomodowe są klasyfikowane jako OS1 i OS2, co wynika z różnic głównie w konstrukcji kabla, a nie w specyfikacji włókien światłowodowych. Kolory powłok kabli światłowodowych różnią się także w zależności od typów hybrydowych oraz od tego, czy są przeznaczone do użytku wewnętrznego czy zewnętrznego.

Źródło światła / typ lasera
Do transmisji światłowodowej można stosować zarówno diody LED, jak i lasery. Jako źródło światła w kablach jednomodowych stosuje się lasery o dużej długości fali, a w kablach wielomodowych - lasery i diody LED o mniejszej długości fali, choć wszystkie długości fal są zbliżone do pasma podczerwieni, które znajduje się tuż nad zakresem widzialnym. Lasery z pionową wnęką rezonansową emitujące promieniowanie powierzchniowe (Vertical-cavity surface-emitting lasers - VCSEL) są stosowane głównie przy długości fali 850 nm do wielomodowych łączy komunikacyjnych o długości do 500 m; lasery Fabry'ego-Pérota (FP) są stosowane, gdy odległość transmisji jest zwykle mniejsza niż 20 km, szybkość transmisji jest zwykle mniejsza niż 1,25 G i przy dwóch jednomodowych długościach fali 1310 nm i 1550 nm; natomiast lasery z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym (DFB) zwykle wykorzystują ten sam tryb i długość fali co FP, ale do szybkich transmisji na duże odległości do 40 km. Na powyższym wykresie widać, że model K2 ekstendera światłowodowego HDMI 4K ATEN VE883 może przesyłać sygnał 4K HDMI na odległość do 10 km przez jednomodowe kable światłowodowe wykorzystujące lasery DFB 1310 nm (model VE883 K1 współpracuje z laserowymi kablami światłowodowymi VCSEL 850 nm).

Nadajniki Duplex i BiDi
SFP (Small Form-factor Pluggables) to niewielkie urządzenia nadawczo-odbiorcze podłączane na gorąco, służące do łączenia płyty głównej urządzenia sieciowego (przełącznika, routera, konwertera mediów itp.) ze światłowodowym lub miedzianym kablem sieciowym. Przedłużacz optyczny ATEN VE882 HDMI korzysta z transceiverów BiDi, a przedłużacz optyczny VE883 4K HDMI korzysta z dupleksowych SFP++.

 

 

Szczegółowe informacje na temat produktów światłowodowych ATEN:  

Ekstendery światłowodowe Pro AV https://www.aten.com/global/en/products/professional-audiovideo/video-extenders/?f3948[]=5

Wszystkie produkty światłowodowe:https://www.aten.com/global/en/search/?q=fiber