W jaki sposób dobrać odpowiedni światłowód do swojej instalacji? Podstawy transmisji światłowodowej.

Tomasz Sokół Aktualności, Factory Automation, How to, Przemysł, Sieć Ethernet Tagi: , , , , , , ,
Jak dobrać odpowiedni światłowód do urządzeń przemysłowych (np. switcha przemysłowego)

W obecnych czasach wymagania dotyczące szybkości transmisji informacji są coraz większe. Światłowody stają naprzeciw tym wymaganiom.

Wstęp

Kable światłowodowe mogą przesyłać dane na większe odległości niż jakikolwiek inny nośnik sieciowy. W przeciwieństwie do przewodów miedzianych, światłowód może przesyłać sygnał o znacznie mniejszym tłumieniu i jest całkowicie odporny na zakłócenia elektromagnetyczne. W poniższym wpisie zostaną omówione podstawowe informacje o światłowodach, m.in. zasada działania, rodzaje światłowodów, złącza, patchcordy.

Światłowody są obecnie wykorzystywane w czterech głównych gałęziach przemysłu:

  • sieci korporacyjne – używane do okablowania szkieletowego i do łączenia urządzeń infrastruktury sieciowej,
  • Fiber-to-the-Home (FTTH) – wykorzystywany do zapewniania stałych usług szerokopasmowych w domach i małych firmach,
  • sieci długodystansowe – stosowane przez usługodawców do łączenia krajów i miast,
  • podmorskie sieci kablowe – stosowane w celu zapewniania niezawodnych, szybkich i wydajnych rozwiązań, zdolnych do przetrwania w trudnych warunkach podmorskich. Wykorzystywane do połączenia międzykontynentalnego. Jako ciekawostkę, klikając w link, można wyświetlić mapę przedstawiającą lokalizację kabli podmorskich.

Zasada działania

Światłowód to bardzo elastyczne, chociaż niezwykle cienkie włókno czystego szkła, niewiele grubszego niż ludzki włos. Bity kodowane są na światłowodzie jako strumienie świetlne, które generowane są przez lasery lub diody elektroluminescencyjne (LED). Elektroniczne urządzenia półprzewodnikowe, zwane fotodiodami, wykrywają impulsy świetlne i przetwarzają je na napięcie elektryczne. Światło lasera przesyłane światłowodem może uszkodzić ludzkie oko. Do propagacji fal świetlnych wykorzystywane jest zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Włókno światłowodowe składa się z dwóch rodzajów szkła: rdzeń (ang. core), który przenosi rzeczywisty sygnał świetlny oraz warstwa ochronna (ang. cladding) – warstwa szkła, która otacza rdzeń. Warstwa ochronna ma niższy współczynnik załamania światła, co umożliwia powstanie zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia w rdzeniu. Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia zachodzi, gdy spełnione są dwa warunki: promień świetlny przechodzi z ośrodka o większym współczynniku załamania światła, do ośrodka o mniejszym współczynniku załamania światła oraz kąt padania promienia świetlnego jest większy od kąta granicznego dla danego ośrodka. Na poniższym rysunku widać, iż zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia zachodzi dla niebieskiego promienia świetlnego, który ma kąt padania większy od kąta granicznego.

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia, które umożliwia propagację sygnału w światłowodach

Rys.1: Wykorzystanie zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia umożliwia progagację fali na duże odległości
Źródło: https://fizyka.uniedu.pl/

Budowa i schemat światłowodu optycznego

Rys.2: Schemat włókna światłowodowego
Źródło: http://socrates.bmcc.cuny.edu/nsfvat/ASSETS/PDFS/Light_Video.pdf

Transmisja danych w światłowodzie odbywa się w oknach transmisyjnych. Zostały one wyznaczone w nieprzypadkowy sposób. Przy ich wyborze uwzględniono charakterystykę tłumienia sygnału w medium transmisyjnym. Można wyróżnić trzy główne źródła tłumienia sygnału przesyłanego przez światłowód: straty falowodowe wynikające z niejednorodnej budowy światłowodu związanej z procesem produkcji, absorpcja, czyli pochłanianie energii przez cząstki światłowodu, a także rozproszenie impulsu świetlnego.
Okna transmisyjne:

  • 850 nm – pierwsze okno – najwyższe tłumienie, używane tylko w aplikacjach z wykorzystaniem światłowodu u krótkim zasięgu
  • 1310 nm – drugie okno (pasmo O) – punk o zerowym rozproszeniu dla światłowodu jednomodowego, ale o wysokim tłumieniu. Wykorzystywane do aplikacji o średnim zasięgu – 10 km.
  • 1550 nm – trzecie okno (pasmo C) – obejmuje zakres od 1525 nm do 1565 nm. Wykorzystywane praktycznie we wszystkich aplikacjach o długim zasięgu i DWDM.
  • Czwarte okno (pasmo L) – pokrywa zakres od 1570 nm do 1610 nm

Na poniższej charakterystyce tłumienia sygnału w zależności od długości fali, zostały zaznaczone wyżej wymienione okna transmisyjne.

Charakterystyka tłumienia sygnału w zależności od długości fali

Rys 3.: Charakterystyka tłumienia sygnału w zależności od długości fali

Rodzaje światłowodów

Zasadniczo, kable światłowodowe dzieli się na dwa rodzaje: światłowody jednomodowe (SM) i wielomodowe (MM).

  • Światłowody wielomodowe (MM)
    Zbudowany z szerszego rdzenia, zwykle w standardzie 50/125 (ОМ2) lub 62,5/125. Moduły obsługują transmisję danych z szybkością do 10 Gbps na falach o długości 850 nm lub 1320 nm. Źródłem światła jest dioda LED. Wadą jest odległość transmisji, która wynosi 550 m (przy prędkości transmisji 1G).

Światłowód wielomodowy

  • Światłowody jednomodowe (SM)
    Składa się z bardzo małego rdzenia, zwykle w standardzie 9/125. Źródłem światła jest laser. Popularne w aplikacjach wymagających dalekiego zasięgu transmisji – do 120 km.

swiatlowod-jednomodowy-singlemode

Złącza

Transceivery optyczne SFP są wymiennymi złączami medialnymi. Zapewniają natychmiastową łączność światłowodową dla sprzętu sieciowego. Są opłacalnym sposobem na podłączenie jednego urządzenia sieciowego do szerokiej gamy rodzajów kabli światłowodowych. Transceivery SFP łączą płytę główną switcha, routera lub innego urządzenia ze światłowodem (jednomodowym lub wielomodowym) albo kablem miedzianym.

Wkładki SFP moduły światłowodowe

Rys. 4: Moduły SFP ze złączami LC

Istnieją również moduły SFP z technologią WDM, w których wysyłanie i dostarczanie sygnału odbywa się za pomocą pojedynczego rdzenia (przy użyciu jednego złącza), ale przy różnych długościach fali. Zmniejsza to liczbę kabli światłowodowych potrzebnych do budowania sieci co wpływa na niższe koszty budowy infrastruktury sieciowej. W technologii WDM stosuje się wyłącznie światłowód jednomodowy. Do zestawienia połączenia wykorzystywane są dwa moduły SFP z których każdy ma różne (przeciwległe) długości fali odbiornika i nadajnika, na przykład 1310 nm i 1550 nm.
Każde włókno optyczne działa z określoną szybkością, tj. zgodnie ze standardem IEEE 802.3. Należy pamiętać, że modułu SFP nie posiadają funkcji MDI/MDIX do automatycznego wykrywania maksymalnej szybkości transmisji. W związku z tym, oprócz długości fali i rodzaju światłowodu, należy wybrać wymaganą szybkość transmisji: Fast Ethernet , Gigabit Ethernet lub 10 Gigabit Ethernet .
W modułach SFP istnieje kilka typów złącz. W większości przypadków stosuje się złącze LC – tylko te złącza wykorzystywane są w modułach SFP produkowanych przez firmę Moxa. W switchach przemysłowych Moxa dostępne są również wbudowane porty światłowodowe na złącza ST lub SC. Złącza ST mogą być pomocne, gdy wymagane jest silniejsze mocowanie, które jest zapewniane przez przekręcaną metalową nakrętkę. Uniemożliwia to wysuwanie się światłowodu ze złącza. Złącza SC również zapewniają wysoką stabilność dzięki mechanizmowi zatrzaskowemu, który poprawia pewność połączenia.

Podstawowe rodzaje zlącz (S.C., LC, ST)

Rys.5: Podstawowe rodzaje zlącz (SC, LC, ST)

Switche zarządzalne Moxa serii EDS-500E posiadają funkcję DDM (Digital Diagnostics Monitoring), która umożliwia użytkownikowi monitorowanie parametrów modułów SFP (a także innych wbudowanych portów światłowodowych SC/ST) takich jak optyczna moc na wyjściu, optyczna moc na wejściu, napięcie czy temperatura. Po przekroczeniu wartości granicznych mogą być wysyłane powiadomienia trap, powiadomienia e-mail lub ostrzeżenia na przekaźnikach.
Dostępna jest w zakładce Monitoring -> Fiber Check.

Podgląd funkcji Fiber Check

Rys. 6: Podgląd funkcji Fiber Check

Patchcordy

Przesyłanie sygnałów przez możliwe jest z wykorzystaniem odpowiednich patchcordów. Typ światłowodu może być zidentyfikowany na podstawie standardowych oznaczeń kolorów warstwy ochronnej (informacje w poniższej tabelce).

patchcordy jednomodowe i wielomodowe

Źródło: https://www.nanog.org/sites/default/files/2_Steenbergen_Tutorial_New_And_v2.pdf

Podsumowanie

Obecnie, w większości środowisk przemysłowych światłowód jest przede wszystkim wykorzystywany jako okablowanie szkieletowe do połączeń ze sobą różnych punktów dystrybucji o wysokim natężeniu ruchu sieciowego. Biorąc pod uwagę, że włókna stosowane w mediach światłowodowych nie są przewodnikami elektrycznymi, nośniki te są odporne na zakłócenia elektromagnetyczne i nie przewodzą niepożądanych prądów elektrycznych. Dodatkowo, włókna optyczne są cienkie, mają stosunkowo niską utratę sygnału i mogą pracować przy znacznie większych długościach niż media miedziane.
Podczas budowania sieci można spotkać się ze sprzętem różnych producentów. Tutaj pojawia się kwestia kompatybilności sprzętu w kontekście komunikacji z wykorzystaniem światłowodów i jego prawidłowego działania.
Konieczna jest weryfikacja poniższych parametrów technicznych:

  • długość fali świetlnej (nm),
  • szybkość transmisji (zgodnie ze standardem 802.3 Ethernet),
  • typ kabla światłowodowego (jednomodowy, wielomodowy),
  • odpowiednia średnica rdzenia w kablu (np. OM1, OM2).

Jeśli te parametry będą się pokrywały, różnica między producentami nie powinna mieć znaczenia, a sprzęt powinien działać poprawnie. Zachęcam do przeczytania innych artykułów na naszym blogu, a także do zapoznania się z naszą ofertę na mediakonwertery, które umożliwiają konwersję zwykłej skrętki na światłowód.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *