Оптоволокно и медь: преимущества и недостатки

Что такое оптическое волокно?

Оптическое волокно, также известное как волоконно-оптический кабель или оптоволокно, обычно состоит из сердцевины волокна, оболочки, буфера, защитной оболочки и оптических волоконных коннекторов. Поскольку потери света при передаче по оптическому волокну значительно ниже, чем потери электроэнергии при передаче по медному кабелю, волоконно-оптический кабель обычно используется для передачи на большие расстояния.

Структура оптоволокна

Сердцевина волокна - Изготовлен из стекла или пластика и используется для направления света. Наиболее распространены три размера сердцевины оптического волокна: диаметр 62.5 μm (многомодовое волокно OM1, OM2), 50 μm (OM3, OM4, OM5) и 9 μm (одномодовое волокно).

Слой оболочки - Покрытие сердцевины волокна стеклянной оболочкой с более низким показателем преломления. Она предназначена для уменьшения потерь, вызванных неровностями поверхности стеклянной сердцевины волокна.

Буфер - Обеспечивает механическую изоляцию и защищает оптоволокно от физических повреждений за счет инкапсуляции волокон. 

Оболочка - Самый внешний слой волоконно-оптического кабеля, защищающий оптические волокна от воздействия окружающей среды. Кроме того, для идентификации кабеля можно использовать оболочки разных цветов.

Типы оптического волокна

Существует два наиболее распространённых типа оптического волокна: многомодовое и одномодовое оптическое волокно.

Одномодовое оптическое волокно

Одномодовое оптическое волокно, как следует из названия, передает только одну моду света. Благодаря очень тонкой сердцевине диаметром 9 μm и отсутствию ограничений, связанных с модальной дисперсией, одномодовое волокно обеспечивает более высокую точность передачи света по волокну, что приводит к большей пропускной способности по сравнению с многомодовым волокном. Поэтому одномодовое волокно обычно применяется для связи на большие расстояния.

Мультимодовое оптическое волокно

В отличие от одномодового волокна, многомодовое оптическое волокно поддерживает сотни световых мод благодаря более толстой сердцевине диаметром 50 μm или 62.5 μm. Кроме того, оно ограничено модовой дисперсией, в то время как одномодовое волокно — нет. Поэтому многомодовое волокно поддерживает меньшую пропускную способность и дальность по сравнению с одномодовым волокном. Несмотря на недостатки, связанные с пропускной способностью и дальностью передачи, многомодовое волокно имеет преимущества в виде большего размера сердцевины и легко подключается к источнику света, например LED, а также позволяет снизить затраты. Поэтому многомодовое волокно популярно в системах связи на коротких расстояниях.

Типы оптического волокна: одномодовое волокно и многомодовое волокно

Преимущества  оптического волокна перед медным кабелем

Известно, что оптоволоконный кабель был внедрен для устранения ограничений медных кабелей по пропускной способности и расстоянию. Однако преимущества оптоволоконного кабеля далеко не ограничиваются пропускной способностью и расстоянием. Почему оптоволокно лучше меди? В этой статье подробно объясняются преимущества оптоволоконных кабелей. 

Неограниченная пропускная способность

Пропускная способность является насущной потребностью центров обработки данных. Как упоминалось выше, одномодовое волокно не ограничено модальной дисперсией благодаря очень малому размеру сердцевины, поэтому теоретически пропускная способность одномодового волокна бесконечна. Что касается многомодового волокна, наиболее широко используемого Многомодовое оптоволокно OM3 имеет требуемую пропускную способность более 2000 MHz-km, и Многомодовое волокно OM4 требует не менее 4700 МГц·км. Что касается медного кабеля, новейший медный кабель Cat8 поддерживает полосу пропускания 2000 МГц·км. Поэтому одномодовое и многомодовое оптоволокно обеспечивают значительно более высокую пропускную способность, чем традиционный медный кабель.

Большая дальность передачи

Чем выше пропускная способность, тем больше расстояние передачи. В сетях 40/100 Ethernet многомодовый оптический кабель OM4 поддерживает длину линии до 150метров, а одномодовое оптоволокно позволяет осуществлять связь на расстоянии до 80km, тогда как медный кабель Cat8 допускает лишь ограниченное расстояние в 30 метров согласно стандарту 40GBase-T. Однако длина большинства магистральных линий центров обработки данных превышает 30 метров, поэтому оптоволокно практически заменило медные кабели в магистральных соединениях.

Более высокая скорость

Почему оптоволокно обеспечивает более высокую скорость, чем медный кабель? Это главным образом определяется принципом передачи данных по оптоволокну и медному кабелю. В оптическом волокне данные передаются путем модуляции аналоговых сигналов в оптические сигналы, после чего свет направляется на основе принципа полного внутреннего отражения. Различные оптические сигналы не создают помех друг другу. Медный кабель передает данные с помощью электрических сигналов, между которыми возникают помехи. Поэтому оптоволокно имеет преимущество в скорости перед медным кабелем.

В практическом применении,  согласно стандарту IEEE 802.3bs, оптоволокно обеспечивает работу Ethernet 200/400G. Однако новейший медный кабель Cat8 поддерживает только 40GBASE-T на ограниченном расстоянии передачи 30 метров.

Более тонкий и легкий

По сравнению с медными кабелями оптические кабели имеют значительно меньший размер сердцевины волокна: сердцевина многомодового волокна составляет около 50–62.5 μm, а одномодовое волокно ещё меньше — до 9 μm, тогда как диаметр стандартного коаксиального медного кабеля достигает примерно 47 мм. 

Кроме того, различие материалов медного и оптоволоконного кабелей также является важным фактором, влияющим на вес. Оптическое волокно изготавливается из стекловолокна, а медный кабель — из металла, поэтому оптоволокно легче медного кабеля. Благодаря малой толщине и небольшому весу оптоволокно удобнее и проще устанавливать.

Высокая устойчивость к помехам

Кварц является основным компонентом оптического волокна, которое только передаёт свет, не проводит электричество и не подвергается воздействию электромагнитного поля, поэтому оптическое волокно обладает высокой устойчивостью к EMI (электромагнитным помехам) и помехам от источников питания. Именно поэтому сигнал, передаваемый по оптическому волокну, сложно перехватить. Таким образом, оптические кабели имеют преимущества перед медными кабелями с точки зрения стабильности и безопасности.

Более высокая надёжность

Известно, что надежность системы зависит от количества устройств, обращающихся к системе. Чем больше устройств, тем выше вероятность отказа. Система на основе оптоволокна проста, тогда как в системе на основе медного кабеля обычно используется множество усилителей. Кроме того, оптоволоконная система отличается длительным сроком службы. Согласно статистике, оптоволоконная система обеспечивает до полумиллиона часов безотказной работы. Следовательно, оптоволоконные системы обладают более высокой надежностью, чем медные провода.

Недостатки оптоволокна по сравнению с медным кабелем

Тем не менее медный кабель имеет следующие преимущества перед оптоволокном:

Низкая прочность на растяжение

Материалом сердцевины оптического волокна является стекловолокно, тогда как материалом медного кабеля является медь. Стекловолокно более хрупкое, чем медь, поэтому прочность на растяжение оптического волокна ниже, чем у медного кабеля. Высокая прочность медного кабеля на растяжение помогает предотвратить растяжение и разрыв кабеля и тем самым также помогает предотвратить сбои системы.

Сложный процесс сварки

Потери в оптическом волокне связаны с процессом сварки волокон. Два сердцевинных элемента волокон необходимо точно соединить. Поскольку сердцевина волокна очень тонкая, а температура плавления кварца высока, необходимо использовать профессиональное оборудование и технологии для сварки.

Будет ли медный кабель заменён оптоволокном? 

Несмотря на многочисленные преимущества оптоволоконного кабеля перед медным проводом, медный кабель по-прежнему пользуется спросом у потребителей благодаря своей экономичности в определенных приложениях, таких как традиционные системы кабельной инфраструктуры зданий, LAN, PoE и KVM. В целом, я считаю, что до полной замены медных кабельных систем оптоволокном еще далеко.

Однако оптоволоконный кабель однозначно предпочтительнее медного кабеля, когда требуются высокая пропускная способность, большая дальность, высокая скорость или устойчивость к EMI.

QSFPTEK предлагает высококачественные оптоволоконные и медные кабели, также доступны индивидуальные кабельные решения; обращайтесь за консультацией по адресу [email protected].