Топологія з'єднань. Розгалужувачі, перемикачі і мультиплексори

Оптоволоконна передача допускає різноманітність топологій з'єднання пристроїв. Кожний пристрій з оптичним портом, як правило, має приймач і передавач кожний з своїм коннектором. Найпростіша і поширена топологія з'єднань — двоточкова (мал. 3.1, а). Тут вихід передавача одного порту з'єднується окремим волокном з входом протилежного порту. Таким чином, для дуплексного зв'язку необхідні два волокна. На основі двоточкового з'єднання будується і зіркоподібна топологія (мал. 3.1, б), де кожний порт периферійного пристрою з'єднується парою волокон з окремим портом центрального пристрою, який може бути як активним, так і пасивним.

В кільцевій топології вихід передавача одного пристрою з'єднується з входом наступного і так далі до замикання кільця. Для того, щоб пристрої могли обмінюватися інформацією по кільцю, вони всі повинні бути включені і справні, що не завжди досяжне. Для можливості роботи кільця при відключенні окремих пристроїв застосовують обхідні комутатори (bypass switch).

 

Рис. 3.1. Топології з'єднань: а — двоточкова, б — зіркоподібна

Обхідний (він же прохідний) комутатор є пасивним
керованим пристроєм, що включається між лініями зв'язку і конвекторами приймача і передавача пристрою. Він має поворотне дзеркало з електричним приводом. За наявності управляючої напруги дзеркало приймає таке положення, при якому станція включена в кільце (мал. 3.2, а).При відсутності управляючої напруги дзеркало повертається, так, що кільце замикається, минувши станцію, і, крім того, в тестових цілях приймач станції підключається до її передавача (мал. 3.2, б). Під пасивністю комутатора мається на увазі те, що він не має власних приймачів і передавачів, а також підсилювальних схем.

 

Рис. 3.2. Обхідний комутатор: а — робоче положення, б — станція відключена

З оптоволокном також можлива організація середовища передачі, що розділяється, на чисто пасивних елементах-розгалужувачах. Розгалужувач (coupler) є багатопортовим пристроєм для розподілу оптичної потужності (тут під портом розуміється точка підключення волокна). Світлова енергія, що поступає на один з портів, розподіляється між іншими портами в заданому співвідношенні. В реальному розгалужувачі присутні і різні втрати, так що сума вихідних потужностей буде менше вхідної. Розгалужувачі реалізуються за допомогою зварки вузла з декількох волокон або за допомогою направлених відбивачів.

Т-розгалужувач має 3 порти, такі розгалужувачі можна сполучати в ланцюг, реалізовуючи шинну топологію з доступом до середовища передачі, що розділяється, (мал. 3.3, а). Для того, щоб в ланцюжок можна було сполучати значну кількість абонентів, розгалужувачі повинні велику частину потужності пропускати наскрізь, а до абонентів відгалужувати меншу. Абоненти, що мають роздільні коннектори приймачів і передавачів, повинні підключатися до шини через додаткові розгалужувачі. В такій мережі втрати між абонентами сильно залежать від їх того, як взаємно розташовані вони в ланцюжку, внаслідок чого підвищуються вимоги до ширини динамічного діапазону приймачів. Із зростанням кількості абонентів втрати (в децибелах) ростуть лінійно.

 

Рис. 3.3. Використання Т-розгалужувачів: а — оптична шина, б — двоточкове з'єднання по одному волокну

В розгалужувачі «зірка» світло, що входить в будь-який порт, рівномірно розподіляється між всіма іншими. На основі такого розгалужувача може будуватися мережа з середовищем передачі і зіркоподібною топологією (див. мал. 3.1, б), що розділяється, — наприклад, Ethernet 10Base-FP. Тут зростання втрат із збільшенням числа вузлів відбувається набагато повільніше, але розплатою є велика потреба в оптичному кабелі — від.кожного абонента до розгалужувача йде пара волокон.

Трьохпортові розгалужувачі іноді застосовуються для передачі сигналів в зустрічних напрямах по одному волокну. Розгалужувачі вносять значні втрати і небажане взаємне засвічення передавачів, через що їх використання не завжди технічно можливе. Крім того, через високу вартість їх використання економічно доцільне лише в тих випадках, коли витрати на виділення другого волокна стають дуже великими (наприклад, потрібна прокладка нового кабелю на велику відстань).

Рис. 3.4. Мультиплексор WDM

Для підвищення ефективності використовування оптичних ліній по них можна одночасно передавати сигнали з різною довжиною хвилі. Для цього існують мультиплексори з розділенням по довжинах хвиль WDM (Wavelength Division Multiplexer), вид одного з яких показаний на мал. 3.4. В них сигнали з різними довжинами хвиль з одного волокна розділяються по різних волокнах. Пристрої зворотні — вони ж збирають сигнали з декількох волокон в одне. Роздільна здатність визначається технологією розділення, яка може грунтуватися на різних принципах. В локальних мережах застосовують двоххвильові роздільники для 850/1300 і 1300/1550 нм. Вони дозволяють одночасно використовувати одну пару волокон двом різним мережним додаткам, що не конфліктують по довжині хвилі. В сучасних комунікаційних технологіях застосовують мультиплексування і більш тісне розташованих хвиль, а задачі розділення і об'єднання розв'язується на рівні приймача і передавача.

Оптоволоконні кабелі

Оптоволокно саме по собі дуже крихке і для використовування вимагає додаткового захисту від зовнішніх дій. Кабелі, що застосовуються в мережах, використовують одномодові і багатомодові волокна з номінальним діаметром оболонки 125 мкм в покритті із зовнішнім діаметром 250 мкм, які можуть бути укладені і в 900-мкм буфер. Оптичний кабель складається з одного або декількох волокон, буферної оболонки, силових елементів і зовнішньої оболонки. Залежно від зовнішніх дій, яким винен протистояти кабель, ці елементи виконуються по-різному.

По кількості волокон кабелі підрозділяють на сімплексні (одножильні), дуплексні (2 волокна) і багатожильні (від 4 до декількох сотень волокон). В багатожильних кабелях звичайно застосовуються однотипні волокна, хоча виробники кабелю під замовлення можуть комплектувати його і різнотипними (ММ і SM) волокнами. Орієнтовні значення основних параметрів волокон приведені в табл. 3.1. Найбільш популярне багатомодове волокно 62,5/125, проте його смуги пропускання на хвилях 850 нм недостатньо для організації довгих магістралей Gigabit Ethernet. Волокно 100/140, вказане в специфікації Token Ring, застосовується обмежено (стандартами СКС не передбачається). З одномодових більше поширено волокно 9,5/125.

Таблиця 4.1. Основні параметри оптичних волокон

Волокно	Загасання, дБ/км	Смуга пропускання, МГцхкм	Апертура
мкм/мкм	850 нм	1300 нм	1550 нм	850 нм	1300 нм	NA
8/125, 9,5/125	-	0,35-	0,22-	-	-	0,1
50/125	2,7-3,5	0,7-2,0	-	400-500	400-500	0,20
62,5/125	2,7-3,5	0,7-1,5	-	160-200	400-500	0,275
100/140	5,0	4,0				0,29

 

Волокна характеризуються і більш докладними геометричними параметрами (допуски діаметрів, ексцентриситет, некруглість), але їх приводять не у всіх специфікаціях і в практичних розрахунках вони не фігурують.

Буфер відділяє волокно від решти елементів кабелю і є першим ступенем захисту волокна. Буфер може бути щільним або порожнистим. Щільний буфер (tight buffer) заповнює весь простір між покриттям і зовнішньою оболонкою кабелю. Найпростішим щільним буфером є 900-мкм захисне покриття волокна. Щільний буфер забезпечує хороший захист волокна від тиску і ударів, кабель в щільному буфері має невеликий діаметр і допускає вигин з відносно невеликим радіусом. Недоліком щільного буфера є чутливість кабелю до зміни температури: через різницю в коефіцієнтах теплового розширення волокна (малий) і буфера (великий): при охолоджуванні буфер «зіщулюватиметься», що може викликати мікровигини волокна. Кабель з щільним буфером застосовують в основному для розводки усередині приміщень і виготовлення комутаційних шнурів.

В кабелі з порожнистим буфером (loose tube) волокна вільно розташовуються в порожнині буфера — жорсткої пластикової трубки, а простір, що залишився, може бути заповнене гідрофобним гелем. Така конструкція більш громіздка, але забезпечує велику стійкість до розтягування і змін температури. Тут волокна мають довжину більшу, ніж довжина кабелю, тому деформації оболонки не зачіпають саме волокно. Залежно від призначення і числа волокон профіль буфера може мати різну форму.

Силові елементи забезпечують необхідну механічну міцність кабелю, приймаючи на себе розтягуючі навантаження. Як силові елементи використовуються кевларові нитки, сталеві стрижні, стренги з скрученого сталевого дроту, склопластикові стрижні. Найвищу міцність має сталевий дріт, але для повністю непровідних кабелів вона незастосовна.

Зовнішня оболонка захищає всю конструкцію кабелю від вологи, хімічних і механічних дій. Кабелі для важких умов експлуатації можуть мати багатошарову оболонку, що включає і бронюючу сорочку із сталевої стрічки або дроту. Матеріал зовнішньої оболонки визначає захищеність кабелю від тих або інших дій, а також горючість кабелю і токсичність диму, що виділяється.

В локальних мережах застосовують кабелі:

• зовнішньої,
• внутрішньої
• універсальної прокладки.

Зовнішні (outdoor) кабелі відрізняються кращою захищеністю від зовнішніх дій і більш широким діапазоном допустимих температур. Проте по протипожежних нормах їх не дозволяється використовувати усередині приміщення, оскільки при горінні вони виділяють токсичний дим. З цієї причини довжина прокладки такого кабелю усередині приміщення обмежується 15 м — далі повинна бути розподільна коробка, в якій цей кабель стикується з внутрішнім. На мал. 3.5 приведено два варіанти зовнішніх кабелів з різним ступенем захисту.

 

Рис. 3.5. Кабелі для зовнішньої прокладки: а — в грунті і під водою, б — в кабельній каналізації. 1 — модуль оптичних волокон в 250-мкм покритті, 2 — центральний силовий елемент, 3 — кордель (склонитки), 4 — гідрофобний заповнювач (гель) 5 — проміжна оболонка, 6 — броня із сталевого дроту, 7 — зовнішня оболонка (поліетилен), 8 — зміцнюючі елементи

Внутрішній (indoor) кабель, як правило, менш захищений, але і менш небезпечний при горінні.

Універсальний (indoor/outdoor) кабель поєднує в собі захищеність і нешкідливість, але, як правило, він дорожче спеціалізованого.

Розподільний (distribution) кабель (мал. 4.6) складається з безлічі волокон (часто в 900-мкм буфері), його обробляють в розподільних коробках і панелях, корпуси яких захищають волокна від механічних дій.

Кабелі для виготовлення шнурів (мал. 4.7), як правило, мають оболонки одиночних волокон стандартного діаметра — 3 мм Дуплексний кабель за схожість формою з рушницею-двостволкою іноді на англомовному сленгу називають «shot-gun», що переводиться як «рушниця, дробовик». Кабель breakout (що розривається) складається як би з декількох сімплексних кабелів в 3-міліметровому буфері, ув'язнених в загальну панчоху. Після оброблення і окінцьовки кожне волокно опиняється в надійному механічному захисті.

По американській класифікації NEC (National Electric Code) оптоволоконні кабелі, що мають електропровідні елементи і чисто діелектричні позначаються як OFC (Optical Fiber Conductive — оптоволоконний провідний) і OFN (Optical Fiber Nonconductive — оптоволоконний непровідний) відповідно. Остання буква додає класифікацію по пожежній безпеці — ступені займистості (flammability) і виділення отруйного диму (smoke generation).

- OFNP/OFCP (Optical Fiber Nonconductive/Conductive Plenum) — кабелі, що не виділяють токсичних газів при горінні. Допустимі для прокладки у воздуховодах (plenum) без додаткових коробів, що не згоряють.

- OFNR/OFCR (Optical Fiber Nonconductive/Conductive Riser) — кабелі з низким ступенем займистості для прокладки між поверхами (в шахтах, вертикальних каналах).

- OFN/OFC (Optical Fiber Nonconductive/Conductive) — кабелі загального вживання для горизонтальної проводки. Їх прокладка в міжповерхових переходах і воздуховодах без вогнестійких коробів або труб не допускається.

Класифікація NEC не є єдиною.

 

Рис. 3.6. Розподільні кабелі: а — трубчастий звичайний, б — із захистом від гризунів, е — юфільний. 1 — оптичні волокна в 900-мкм буфері, 2 — центральний силовий елемент, 3 — зміцнюючі елементи (кевлар), 4 — зовнішня оболонка, 5 — полімерна трубка, 6 — скловолоконні нитки, 7 — профільний модуль

Рис. 3.7 Кабелі для виготовлення шнурів: а — сімплексний, би — дуплексний shot-gun, в —дуплексний breakout. 1 — оптичні волокна в 900-мкм буфері, 2 — зміцнюючі елементи у (кевлар), 3 — зовнішня оболонка

В загальних специфікаціях на оптичний кабель указують:

- призначення кабелю, його захищеність, наявність електропровідних елементів, можливі способи прокладки;

- довільні інші параметри.

Оптичні з'єднувачі

Оптичні з'єднувачі призначені для постійного або тимчасового, роз'ємного або нероз'ємного з'єднання волокон. Основні параметри з'єднувача — втрати і рівень зворотного віддзеркалення, що вносяться. Джерела втрат були розглянуті вище — це геометричні погрішності виготовлення і позиціонування волокон, неспівпадання апертур, дефекти стикуємих торцевих поверхонь, френелівське віддзеркалення на межах. Для мінімізації втрат необхідне точне взаємне позиціонування волокон, що сполучаються, що особливо складно досягти для одномодових волокон (діаметр серцевини < 10 мкм). Важливою характеристикою з'єднувачів є діапазон робочих температур — теплове розширення компонентів з'єднувача впливає на точність позиціонування зі всіма витікаючими наслідками. Якість з'єднань сильно пов'язана з вартістю з'єднувачів або необхідного устаткування, тому ідеального з'єднувача на всі випадки життя немає. На довгих лініях, де критичне загасання, застосовують більш дорогі з'єднувачі або зварку. В локальних мережах, де вимоги до загасання, як правило, нижче, але з'єднувачів більше, на їх вартості прагнуть заощадити.