Сколько лет существуют волоконно-оптические системы, столько идет борьба за уменьшение оптических потерь. При проектировании ВОЛС определяется бюджет затухания (расчетная величина вносимых потерь), после монтажа проводятся измерения. Если фактические потери меньше/равны расчетным, значит, линия установлена качественно. В последние годы многие поставщики предлагают оптические компоненты Low Loss, есть даже продукция Ultra Low Loss (ULL). Какова роль таких решений в современных оптических системах и действительно ли они необходимы?
Поставщики оптических компонентов с уменьшенными потерями адресуют их требовательным клиентам, которые нуждаются в высокой производительности и скоростях передачи. Но связь между величиной потерь и скоростью непрямая, и нет формулы, по которой уменьшение потерь на сколько-то децибел увеличивало бы пропускную способность на столько-то Гбит/с. Для чего тогда вообще ограничивать величину потерь?
По мере распространения в ВОЛС мощность исходного сигнала уменьшается. Она частично теряется на коннекторных соединениях, в точках сращивания (на муфтах) и в метраже самого волновода. До тех пор, пока амплитуда на входе в фотоприемник превышает порог его чувствительности, поступающие сигналы (биты) будут распознаваться корректно. Если же мощность излучения слишком мала, бит будет распознан как «0» вместо «1». Замедление работы будет происходить в тех сетях, где критично значение каждого бита – контрольная сумма не сойдется, будет отправлен запрос на повторную посылку всего пакета, в итоге производительность системы снижается.
Рис.1. Оптические потери как разность в амплитуде импульсов на выходе из источника и на входе в приёмник
В многокилометровых магистралях дальней связи основные потери происходят в самой среде волновода. Например, для одномодового волокна протяженностью 20 км расчетное затухание в среде кабеля составит 8 дБ из-за погонного затухания 0,4 дБ/км. На этом фоне потеря 0,75 дБ на каждом коннекторном соединении (обычном, не Low Loss) не выглядит чрезмерной. В активном оборудовании для систем дальней связи применяются мощные источники и чувствительные приемники. Для такого оборудования вполне допустимы совокупные потери в несколько десятков децибел, и экономия нескольких десятых долей за счет улучшенных коннекторных соединений вряд ли критична.
В центрах обработки данных, напротив, расстояния невелики и редко превышают несколько сотен метров. Потери происходят в основном на коннекторных соединениях, в особенности в тех конфигурациях, где используется одно или более кросс-соединений либо применяются кассеты LC/MPO или SC/MPO для перехода с/на многоволоконный интерфейс. Мощность источников в высокопроизводительном оборудовании, особенно при использовании многоволоконных решений и/или мультиплексирования любого типа, когда ведется одновременная передача по многим каналам, приходится ограничивать, чтобы каналы не влияли друг на друга, а оборудование не перегревалось и потребляло не слишком много электроэнергии. Для такого активного оборудования могут считаться допустимыми совокупные потери всего в несколько децибел. В этом случае разница между обычным коннекторным соединением и соединением компонентов с уменьшенными потерями становится ключевой. В табл. 1 приведены предельно допустимые значения потерь для высокоскоростных многомодовых и одномодовых приложений. Вписаться в такие пределы с потерями 0,75 дБ на коннекторное соединение в многомодовых системах, например, вообще не удается. В одномодовых системах обеспечивается очень скромный запас до предельно допустимого значения.
Табл. 1. Сопоставление максимально допустимых потерь для требовательных приложений
с бюджетом затухания при использовании обычных коннекторных соединений
Примечание: конфигурации линий включают в себя 2 коннекторных соединения на концах, 2 муфты
на концах (пигтейлы либо коннекторы под сварку) и максимально допустимый метраж кабеля.
* В линиях протяжённостью свыше 500 м. в бюджет закладывалось дополнительное муфтовое
соединение на каждые следующие 500 м. длины
Суммарные потери, показанные в таблице, были рассчитаны по формуле:
Для многомодовых систем в расчете использован коэффициент затухания 3,0 дБ/км (на длине волны 850 нм), а для одномодовых – 0,4 дБ/км независимо от длины волны.
Для сравнения: использование в приведенных примерах многомодовых систем коннекторных соединений с пределом потерь, уменьшенным до 0,2 дБ, позволяет получить суммарные потери 1,3 дБ и вписаться в бюджет затухания с запасом 0,6 дБ. Предпочтительнее иметь запас более 1,0 дБ, но в любом случае нужно помнить, что цифры, использованные в расчете бюджета затухания, представляют собой не средние оптические потери, которые по факту имеют место на коннекторных соединениях, в муфтах и в метраже кабеля, а величины, максимально допустимые стандартами. Средние цифры обычно существенно ниже.
Так, хотя в стандартных тестах для многомодовых систем на 850 нм до сих пор по умолчанию заложено максимально допустимое погонное затухание 3,5 дБ/км, уже давно большинство производителей оптических волокон предлагает марки многомодовых кабелей с затуханием не более 3,0 дБ для 850 нм (в таблице использовано именно это значение). Фактическое затухание обычно оказывается еще ниже. Сварные муфтовые соединения при заложенных в стандартах 0,3 дБ в реальной жизни часто дают потери на порядок меньше: 0,01÷0,03 дБ, причем как при приваривании пигтэйлов, так и при использовании коннекторов под сварку. Таким путем создается определенный запас, причем он не подвержен уменьшению со временем, поскольку при правильной эксплуатации системы ни проложенные кабели, ни муфтовые соединения никаким воздействиям не подвергаются.
С коннекторными соединениями ситуация иная. В прежние времена, когда в проходных адаптерах использовались бронзовые (или даже латунные) центрирующие гильзы (центраторы), простое переподключение разъемов могло вызывать изменение потерь, например, на 0,5 дБ. Задача проходника – обеспечить соосную стыковку коннекторов, но люфт в разболтавшемся центраторе мог приводить к смещению осей волокон (при сохранении их параллельности) либо даже к возникновению угла между ними, а значит, и к неизбежному появлению воздушного зазора между торцами, что ведет к значительному увеличению потерь.
Рис. 2. Нарушение соосности волокон при стыковке в проходном адаптере с люфтом
Отказ от центраторов из фосфата бронзы в пользу керамических, выполненных из диоксида циркония ZrO2, практически снял проблемы с люфтами и «разбалтыванием» проходников в ходе эксплуатации ВОЛС. Если раньше адаптеры имели ресурс в 500 циклов подключения-отключения (как сами коннекторы), после чего оптические характеристики соединения начинали ощутимо деградировать, то современные керамические центраторы выдерживают более 1000 циклов сопряжения без сколь-либо значимого нарастания оптических потерь.
Рис. 3. Центратор из фосфата бронзы (вверху) и диоксида циркония (внизу)
Вдобавок точность изготовления адаптеров у большинства производителей теперь одинакова для всех типов компонентов – многомодовые проходники получили такие же строгие допуски, как одномодовые, хотя раньше пределы для них были существенно шире. Потери, которые имеют место из-за неточности изготовления современных проходных адаптеров (в отсутствие иных причин), обычно с запасом укладываются в 0,1÷0,2 дБ.
К упомянутым «иным причинам» относятся неточности изготовления коннекторов – в первую очередь это допуски по центровке цилиндрического канала в керамическом наконечнике разъема и возможные отклонения в его диаметре. Также свое влияние может оказать нарушение концентричности ядра в световоде, отклонение его формы от окружности (эксцентриситет), а также вариации в диаметре ядра.
На рис. 4 в масштабе показано, что происходит, если точность центровки составляет ±2,5 мкм, и у одного световода отклонение происходит в одну сторону, а у другого – в противоположную. В этом случае расстояние между центрами ядер у стыкуемых волокон может составить 5 мкм. Уменьшение площади для передачи сигналов ведет к росту оптических потерь, причем для одномодовых волокон равнозначные допуски гораздо критичнее, чем для многомодовых, поскольку диаметр ядра гораздо меньше.
Рис. 4. Уменьшение площади перекрытия ядер световодов при смещении их центров
В табл. 2 значения допусков пересчитаны в процент площади ядра, оставшейся для передачи сигналов. Если упрощенно полагать, что излучение равномерно использует всю доступную площадь поперечного сечения, то уменьшение площади можно перевести в дБ, помня, что это логарифмическая величина: LossдБ=10·lg(P1/P2). Утрата половины мощности соответствует примерно 3 дБ.
Табл. 2. Уменьшение площади передачи сигналов как следствие смещения центров световодов друг относительно друга
В реальной жизни площадь поперечного сечения волокна используется не равномерно. С одной стороны, на центральную часть ядра приходится более интенсивное излучение, чем по его краям. С другой – в одномодовых волноводах диаметр модового пятна оказывается больше диаметра ядра. Потери, рассчитанные в таблице только через площадь поперечного сечения, несколько завышены в сравнении с тем, что происходит на практике при отсутствии иных факторов, увеличивающих потери. Но в целом показанная в таблице зависимость прослеживается вполне четко. Допуски в стандартах, по которым изготавливают волокна и коннекторы, определяют возможные итоговые потери на уровне 0,1÷0,15÷0,2÷0,25 дБ (снова подчеркнем: в отсутствие иных причин – например, загрязнений торцов или царапин в области ядра).
Требования к одномодовым волокнам G.657.A1 и A2 предусматривают допуски ±0,4 мкм для диаметра модового пятна на длине волны 1310 нм и ±0,5 мкм на длине волны 1550 нм. Основная масса одномодовых волокон, предлагаемых сейчас различными производителями, имеет максимально допустимое отклонение от концентричности ядра 0,5 мкм. Так, у Corning такой параметр заявлен для одномодовых волокон, изготавливаемых по большинству рекомендаций ITU-T (G.652.B, G.652.D, G.654.C, G.655.D, G.657.A1/A2/B2/B3 и др.), исключение составляет разве что G.654.E с отклонением 0,8 мкм. Точность изготовления внешнего диаметра волновода 125 мкм должна составлять ±0,7 мкм при отклонении формы от идеальной окружности не более 0,7%.
Для многомодовых волокон у Corning (за исключением устаревшего типа OM1) диаметр ядра исполняется в соответствии с рекомендациями ITU-T G.651 с точностью ±2,5 мкм, а внешний диаметр волновода выдерживается с точностью ±1 мкм. Отклонение от концентричности не должно превышать 1,5 мкм, а эксцентриситет допускается не более 1%.
Аналогична ситуация и у других производителей волноводов, поскольку ключевые характеристики определяются составом и физическими свойствами кварцевого стекла и принципиальными возможностями используемых технологий, а они едины для всех изготовителей. Стандарты, определяющие параметры волоконно-оптических компонентов и кабелей, тоже едины для всех – это ANSI/TIA 568.3-D (и более поздние дополнения), TIA/EIA-604 FOCUS-3, -10, IEC 61754-4, -20 и другие требования к разным типам разъемов, а также различные выпуски Telcordia – GR-326-CORE, GR-1081-CORE и т. п.
На сегодняшний день все серьезные изготовители оптических компонентов могут предлагать продукцию, которая способна вписаться в гораздо более строгие требования, чем 0,75 дБ на коннекторное соединение. Это значение до сих пор фигурирует в стандартных сертификационных тестах, хотя на самом деле оно уже не один десяток лет просто переписывается в каждую последующую версию стандартов. Реальные значения потерь, получаемые при измерениях (конечно, если монтаж выполнен без нарушений, а продукция имеет должное качество), без труда укладываются в такие широкие пределы. Так, для разъемов LC и SC, чаще всего используемых в современных системах, в спецификациях у не самых именитых производителей могут приводиться значения 0,5 дБ (максимум) и 0,3÷0,4 дБ (типичные средние показатели), в то время как признанные бренды могут декларировать соответственно максимум 0,15 дБ и 0,1 дБ как среднестатистические потери.
Чтобы подчеркнуть такие характеристики и стимулировать продажи, маркетологи придумали название Low Loss и стали продвигать семейства компонентов с официально заявленными потерями ниже, чем те самые 0,75 дБ. Название стало распространяться по всему телекоммуникационному рынку, хотя ни в одном стандарте нормативных требований на «Low Loss» нет. Каждый изготовитель волен под этим обозначением понимать то, что ему угодно. В последние годы разные бренды дополнительно уточняют названия своей продукции, чтобы как-то выделиться среди прочих. Появились линейки Premium Loss и даже Ultra Low Loss (ULL). Такие обозначения тоже никак не стандартизованы, но «гонка вооружений» продолжается. Сопоставление продукции нескольких брендов приведено в табл. 3. Разброс в представлениях разных изготовителей о том, что такое обычные и уменьшенные потери, очевиден. Некоторые даже не утруждают себя производством «обычной» продукции и позиционируют свои компоненты сразу как Low Loss, хотя на самом деле в качестве предела для них заявлены те самые 0,75 дБ из прежних стандартных тестов.
Табл. 3. Сопоставление семейств одномодовой продукции различных производителей по заявленным им величинам потерь
Примечательно, что при практических измерениях оптических потерь при помощи сертификационного тестера можно получить существенный разброс значений даже для компонентов одного и того же типа от одного и того же изготовителя. Хотя для сертификационного тестирования применяются шнуры эталонного качества TRC (Test Reference Cords), изготовленные по более строгим требованиям к точности центровки и качеству полировки, тем не менее, у них тоже есть определенные отличия в характеристиках от изделия к изделию. Например, у одного разъема смещение, пусть и незначительное, произошло вверх, а у другого вниз. В сочетании с тестируемыми сегментами, у которых все коннекторы тоже имеют допуски (причем наверняка более широкие), и смещение тоже может происходить в разные стороны, легко можно получить разброс результатов в 0,1÷0,2 дБ и больше.
Иногда происходят и вовсе сложно объяснимые (на первый взгляд) явления, особенно в одномодовых системах, причем даже в лабораторных условиях, когда все разъемы поддерживаются в чистоте. При измерениях с одним шнуром – новым, эталонного качества – потери оказываются больше, чем при подключении более бюджетного, не столь высококачественного шнура. Иногда встречаются даже «отрицательные» потери. Официальная версия гласит, что, скорее всего, было допущено нарушение в процедуре установки эталонного значения перед измерениями либо источнику в приборе после включения не дали как следует прогреться и мощность излучения была нестабильна. Но на практике может быть и другая причина. Если так получилось, что при стыковке коннекторов среднего качества у одного из них смещение оказалось зеркальным относительно второго, то их сопряжение окажется более соосным, чем при подключении шнура эталонного качества, идеально отцентрированного и отполированного. В результате совпадения смещений потери окажутся меньше. Иногда так бывает. Хотя в реальной жизни ситуация, при которой потери в изделиях не самого высокого качества окажутся больше, гораздо более вероятна.
В условиях реальных объектов на результаты измерений в еще большей степени влияет загрязнение торцов. По статистике компании Fluke Networks, производящей тестеры и чистящие комплекты для волоконной оптики, примерно 85% сбоев в ВОЛС объясняется загрязнением торцов коннекторов, а в оставшиеся 15% укладываются все остальные причины, вместе взятые – неидеальность центровки канала в коннекторе, эксцентриситет ядра волокна, люфты в проходных адаптерах, невысокое качество полировки торцов, перегибы кабеля при монтаже и все прочее. Разница в потерях между недавно очищенным коннекторным соединением в сравнении с разъемами, которые давно не чистили, легко может составить 0,5 дБ и больше. Грязь губительна и для одномодовых, и для многомодовых систем. При этом на рис. 5 слева показан случай далеко не самого сильного загрязнения из тех, что встречаются на практике.
![]() |
![]() |
Рис. 5. Изображения торцов многомодовых волокон, снятые видеомикроскопом до и после очистки
Какие выводы можно сделать из всего описанного выше? Первый и самый важный для любых оптических систем: коннекторы необходимо поддерживать в чистоте. Это касается любых семейств – как Low Loss / Premium Loss / Ultra Low Loss, так и обычных. Грязь может легко «отобрать» все резервы, обеспечиваемые улучшенным качеством полировки и строгими допусками. Продукция улучшенного качества – не повод к тому, чтобы отказаться от правил поддержания чистоты. У всех специалистов, работающих с волоконной оптикой, обязательно должны быть под рукой профессиональные чистящие средства. Также очень желателен микроскоп или, еще лучше, видеомикроскоп, с увеличением не менее 200х для многомодовых систем и не менее 400х для одномодовых. Он позволит визуально оценивать не только наличие/отсутствие загрязнений, но и обнаруживать появление мелких царапин, причем не только на шнурах, но и на разъемах, установленных внутри оптических полок и панелей. Эталонные шнуры, участвующие в тестировании, приходится менять довольно часто – у изношенных шнуров результаты измерений даже одной и той же линии могут «плыть». Но и при эксплуатации обычного активного оборудования характеристики шнуров постепенно ухудшаются, особенно если их часто переподключают и не уделяют должного внимания очистке торцов. Изношенные шнуры нужно своевременно заменять.
Второй вывод: продукция с уменьшенными потерями нужна не для всех систем, а только для наиболее требовательных и высокоскоростных. Типичные потери на соединениях MPO, LC или SC разных изготовителей составляют 0,3÷0,5 дБ. Это вписывается в требования стандартов и вполне приемлемо для обычных конфигураций в системах 10G. Для систем 40G и 100G использование компонентов с уменьшенными потерями (например, 0,20 дБ для MPO и 0,1÷0,15 дБ для LC и SC) позволяет заложить в конфигурацию большее количество разъемов, если это необходимо, и обеспечить определенный запас по потерям. Но и в том, и в другом случае соблюдение чистоты обязательно.
Третий вывод: обращать внимание следует не на названия типа Low Loss / Premium Loss / Ultra Low Loss, а на конкретные технические параметры, заявленные производителями. Обычно публикуют два показателя: типичные (средние) потери на коннекторном соединении и максимально допустимые. При расчете бюджета затухания ВОЛС в формулу следует закладывать только заявленные максимальные значения. Типичные же значения вносимых потерь получены изготовителями в лабораторных условиях, при использовании неизношенных эталонных перемычек и идеальных условий. Измерения проводятся по типовым конфигурациям подключения, и это средние значения, не гарантируемые производителем. Никто не поручится, что пользователь получит такие результаты при измерениях на реальном объекте. Наоборот, велика вероятность, что он их не получит. Если же изготовитель публикует только средние значения и не декларирует максимально допустимые, то это повод насторожиться – значит, никаких обязательств такой производитель на себя брать не хочет. Маркетологи любят использовать типовые значения, но техническим специалистам на них ориентироваться не следует.
Источник: Hypercore