Jak daleko można poprowadzić kabel światłowodowy? Wyjaśnienie ograniczeń odległości

Kable światłowodowe można uruchomić w dowolnym miejscu 2 km do ponad 100 km bez regeneracji sygnału, w zależności od rodzaju kabla i zastosowania. Światłowód jednomodowy (SMF) obsługuje odległości do 40-100 kilometrów do standardowych zastosowań, podczas gdy światłowód wielomodowy (MMF) jest zwykle ograniczony do 300 metrów do 2 kilometrów . Rzeczywista odległość zależy od takich czynników, jak rodzaj światłowodu, długość fali, sprzęt sieciowy i wymagania dotyczące jakości sygnału.

Możliwości odległości światłowodu jednomodowego

Światłowód jednomodowy przeznaczony jest do transmisji na duże odległości i stanowi szkielet sieci telekomunikacyjnych na całym świecie. Mała średnica rdzenia (8–10 mikronów) umożliwia światło przemieszczanie się jedną ścieżką, minimalizując rozproszenie sygnału i zapewniając wyjątkowy zasięg.

Standardowe zastosowania jednomodowe

W przypadku typowych wdrożeń sieciowych światłowód jednomodowy osiąga następujące odległości:

• 1000BASE-LX (1 Gb/s): Do 10 kilometrów ze standardową optyką, z możliwością rozszerzenia do 40 kilometrów dzięki ulepszonym modułom
• 10GBASE-LR (10 Gb/s): Standardowy zasięg 10 km, przy 10GBASE-ER sięgającym 40 km
• 40GBASE-LR4 i 100GBASE-LR4: 10 km dla szybkich połączeń między centrami danych
• Warianty o dużym zasięgu (ER/ZR): 40-80 km dla sieci metropolitalnych i regionalnych

Rozwiązania o rozszerzonym zasięgu

Dzięki specjalistycznemu sprzętowi światłowód jednomodowy może obejmować jeszcze większe odległości. Systemy multipleksowania z gęstym podziałem długości fali (DWDM) rutynowo przesyłają sygnały ponad 1000 kilometrów przy użyciu wielu długości fal i wzmacniaczy optycznych. Kable podmorskie łączące kontynenty wykorzystują do rozpiętości światłowód jednomodowy 10 000 kilometrów po dnie oceanów, ze wzmacniaczami rozmieszczonymi co 50–100 kilometrów w celu regeneracji sygnału.

Ograniczenia odległości światłowodu wielomodowego

Światłowód wielomodowy ma większą średnicę rdzenia (50 lub 62,5 mikrona), co pozwala na jednoczesną propagację wielu modów światła. Chociaż ułatwia to pracę i jest tańsza na krótkich dystansach, tworzy dyspersję modową, która znacznie ogranicza zasięg transmisji.

Schemat jest jasny: wraz ze wzrostem szybkości transmisji danych zmniejszają się możliwości transmisji w trybie wielomodowym. Dla Aplikacje 40 i 100 Gb/s nawet najnowszy światłowód OM5 jest ograniczony do 100–150 metrów, dzięki czemu nadaje się tylko do środowisk centrów danych, w których sprzęt znajduje się w bliskiej odległości.

Czynniki wpływające na odległość transmisji

Budżet mocy optycznej

Budżet mocy optycznej reprezentuje wielkość utraty sygnału, jaką system może tolerować pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem. Typowy transceiver może nadawać o godz -3 dBm i wymagają minimalnej odbieranej mocy wynoszącej -20 dBm , zapewniając budżet mocy 17 dB. Każde złącze, splot i metr kabla pochłania część tego budżetu w wyniku strat wtrąceniowych i tłumienia.

Wybór długości fali

Różne długości fal charakteryzują się różnymi współczynnikami tłumienia we włóknie. Najpopularniejsze długości fal i ich charakterystyki obejmują:

• 850 nm: Stosowany w światłowodach wielomodowych, tłumienie 2,5-3,5 dB/km, najkrótszy zasięg
• 1310 nm: Wspólne dla trybu jednomodowego, tłumienie 0,35-0,5 dB/km, dobre na średnie odległości
• 1550 nm: Preferowany na duże odległości, tłumienie 0,2-0,25 dB/km, umożliwia maksymalny zasięg

Jakość i instalacja kabli

Złe praktyki instalacyjne radykalnie zmniejszają efektywną odległość. Mikrozgięcia przy małym promieniu gięcia , naprężenia w złączach i zanieczyszczenia na powierzchniach końcowych włókien mogą zwiększyć stratę o 0,5–3 dB na punkt połączenia. Kabel o długości znamionowej 10 km może osiągnąć jedynie 5 km, jeśli zostanie zainstalowany niedbale z wieloma spawami powodującymi duże straty.

Efekty dyspersji

Dyspersja chromatyczna powoduje, że różne długości fal przemieszczają się z nieco różnymi prędkościami, rozprzestrzeniając impulsy na duże odległości. W światłowodzie jednomodowym przy 1550 nm dyspersja chromatyczna wynosi w przybliżeniu 17 ps/(nm·km) . W przypadku sygnału 10 Gb/s na dystansie 80 km może to spowodować znaczne poszerzenie impulsu, co wymaga modułów kompensacji dyspersji w celu utrzymania integralności sygnału.

Praktyczne scenariusze zastosowań

Sieci kampusowe

Zwykle wdrażane są kampusy uniwersyteckie i korporacyjne Światłowód wielomodowy OM3 lub OM4 dla połączeń między budynkami o długości poniżej 300 metrów, przy kosztach ok 0,50-2,00 USD za metr zainstalowany. W przypadku budynków oddzielonych większymi odległościami światłowód jednomodowy zapewnia łączność do kilku kilometrów przy nieco wyższych kosztach materiałów, ale znacznie niższym całkowitym koszcie posiadania ze względu na zmniejszone wymagania dotyczące elektroniki.

Sieci Metropolitalne

Usługi Metro Ethernet powszechnie wykorzystują światłowód jednomodowy do łączenia lokalizacji biznesowych w różnych miastach. Odległości 20-40 kilometrów są rutynowe w przypadku standardowej optyki, podczas gdy 80 kilometrów można osiągnąć za pomocą transceiverów o większym zasięgu. Dostawcy usług zazwyczaj utrzymują pierścienie światłowodowe z wieloma ścieżkami w celu zapewnienia nadmiarowości.

Połączenia wzajemne w centrach danych

Nowoczesne centra danych wymagają szybkiej łączności między obiektami na potrzeby odzyskiwania danych po awarii i równoważenia obciążenia. Połączenia 100 Gbps na dystansie 10-40 kilometrów korzystanie ze światłowodu jednomodowego stało się standardem, a wiodący dostawcy go wdrażają Łącza 400 Gb/s dla głównych punktów połączeń międzysieciowych. Systemy te często wykorzystują technologię spójnej optyki, aby zmaksymalizować pojemność i zasięg.

Światłowód do domu (FTTH)

Wdrożenia światłowodów w budynkach mieszkalnych zazwyczaj wykorzystują architekturę pasywnych sieci optycznych (PON), która rozdziela pojedyncze włókno w celu obsługi 32-64 domy na dystansie do 20 kilometrów z centrali. Obsługa najnowszych standardów XGS-PON i NG-PON2 Prędkości symetryczne 10 Gb/s przy zachowaniu tego zakresu, zapewniając wystarczającą pojemność na dziesięciolecia wzrostu popytu mieszkaniowego.

Rozszerzanie poza standardowe odległości

Wzmacniacze optyczne

Wzmacniacze światłowodowe domieszkowane erbem (EDFA) wzmacniają sygnały optyczne bez przekształcania ich w formę elektryczną, umożliwiając rozpiętość 80-120 kilometrów pomiędzy punktami wzmocnienia. Typowy EDFA zapewnia Wzmocnienie 15-25 dB , kompensując tłumienie światłowodu i umożliwiając sygnałom przechodzenie przez wiele segmentów. Sieci długodystansowe łączą wiele wzmacniaczy kaskadowo, aby osiągnąć odległości transkontynentalne.

Regeneratory i wzmacniaki

Kiedy jakość sygnału pogarsza się bardziej niż jest w stanie skorygować wzmocnienie, elektroniczne regeneratory przekształcają sygnał optyczny na elektryczny, czyszczą go i ustawiają ponownie czas, a następnie retransmitują na nowym nośniku optycznym. Podmorskie systemy kablowe umieszczają regeneratory co 50-100 kilometrów w szczelnych obudowach na dnie oceanu, o projektowanym okresie użytkowania 25 lat i brak możliwości konserwacji po wdrożeniu.

Korekta błędów w przód

Nowoczesne, szybkie systemy zawierają zaawansowaną korekcję błędów w przód (FEC), która dodaje redundancję do strumienia danych, umożliwiając odbiornikowi korygowanie błędów bitowych bez retransmisji. FEC z trudną decyzją może zwiększyć zasięg o 2-3 dB, natomiast FEC o miękkiej decyzji dodaje 10-11 dB wzmocnienia kodowania, potencjalnie podwajając osiągalną odległość dla spójnych systemów transmisji.

Wybór odpowiedniego światłowodu do wymagań dotyczących odległości

Wybór odpowiedniego kabla światłowodowego wymaga zrównoważenia bieżących potrzeb z przyszłymi wymaganiami i ograniczeniami budżetowymi. Na dystanse poniżej 300 metrów w centrach danych , światłowód wielomodowy OM4 oferuje najlepszy stosunek ceny do wydajności dzięki łatwo dostępnym, niedrogim transiwerom. Oszczędności na kosztach materiałów w porównaniu z trybem jednomodowym są minimalne, ale optyka może kosztować 50-70% mniej .

Na dowolny dystans powyżej 500 metrów lub wymagające 10-letniego okresu użytkowania , światłowód jednomodowy jest najlepszym wyborem. Chociaż transceivery kosztują początkowo więcej, tryb jednomodowy zapewnia nieograniczony potencjał modernizacji. Światłowód zainstalowany dzisiaj dla 1 Gb/s może później obsługiwać 100 Gb/s lub więcej, po prostu zmieniając sprzęt w punkcie końcowym, podczas gdy światłowód wielomodowy wymagałby całkowitej wymiany kabla.

Rozważ instalację Światłowód jednomodowy OS2 z 12-24 żyłami nawet jeśli obecne wymagania są skromne. Dodatkowy koszt kabla jest niewielki w porównaniu z robocizną instalacyjną, a posiadanie zapasowych włókien zapewnia ochronę przed uszkodzeniami i umożliwia łatwe zwiększanie wydajności. W zastosowaniach metropolitalnych i na trasach długodystansowych jedyną realną opcją jest tryb jednomodowy, przy czym konkretny wybór transiwera decyduje o tym, czy osiągniesz zasięg 10, 40 czy 100 kilometrów.