Времена, когда для подключения к Интернет было достаточно обычной телефонной линии и модема, уже давно прошли, и сегодня высокоскоростное подключение к Сети является уже насущной потребностью. Давайте рассмотрим с вами принцип работы и основное устройство оптоволоконного подключения к Интернет, которое на сегодняшний день является самым быстрым способом для передачи данных.

При оптоволоконном подключении высокая скорость соединения обеспечивается благодаря структуре кабеля, состоящего из светопередающих проводков, покрытых специальным защитным покрытием. Данные передаются при помощи светового луча. Кстати – помимо связи с Интернет оптоволокно может выступать еще и передатчиком данных телефонии и телевидения, поэтому роутер, телевизор и телефон могут быть подключены к одному кабелю.

Диаметр волокон, из которых состоит оптический кабель, очень мал – он составляет сотые доли миллиметра. Через них проходят оптические лучи, передающиеся на многие километры.

Преимущества оптоволоконного интернета

Сегодня оптоволоконный кабель обеспечивает требуемую скорость подключения к Сети. Именно с помощью этой технологии обеспечиваются максимальные скорости передачи данных. Оптоволокно имеет следующие преимущества:

• Долгий срок службы коммуникаций;
• Отличная пропускная способность, благодаря которой информация передается максимально быстро;
• Безопасность передачи – попытки неавторизованного доступа сразу будут обнаружены;
• Высокий уровень помехозащищенности;
• Оптический кабель отлично подходит для передачи мультимедиа;
• Оптоволокно имеет возможности для передачи других типов данных.

Как организовано подключение к Интернет с помощью оптоволокна

Подключение пользователя к Интернет с помощью оптики имеет несколько разновидностей, которые обозначаются как «FTTx», в зависимости от того, насколько близко прокладывается кабель к конечному пользователю:

• FTTH (fiber to the home) – в квартиру;
• FTTB (fiber to the building) – в здание;
• FTTN (fiber to the node) – до узла;
• FTTC (fiber to the curb) – до микрорайона.

Как вы догадались, самый быстрым будет соединение FTTH, обеспечивающее максимально широкий канал связи. Из его названия понятен принцип – оптический кабель заходит непосредственно в квартиру. При этом коммуникации выглядят следующим образом:

Бурное развитие технологий связи привело к распространению широкополосного интернета. Если ещё недавно люди радовались скорости в 128-256 кбит/сек, то сегодня никого не удивишь и сотней мегабит. Оптоволокно от Ростелеком – это отличная возможность провести в квартиру или частный дом интернет-канал с приличной скоростью. Оптические сети этого провайдера проникли даже в небольшие города, позволяя абонентам наслаждаться качественными интернет-услугами и интерактивным телевидением.

Долгое время Ростелеком использовал в своей деятельности телефонные линии с применением технологии ADSL. Она обеспечивала скорость доступа до 24 Мбит/сек, в зависимости от показателей линии и её технического состояния. Чем длиннее и хуже линия, тем больше в ней затухания и тем больше потерь. На предельной длине скорость доступа составляла до 2-3 Мбит/сек. Но если удавалось задать солидную взбучку Ростелекома, телефонисты «вылизывали» линию до скорости в 4-5 Мбит/сек.

Главным достоинством ADSL является то, что эта технология использует старые добрые телефонные линии. А провести телефон в дом или квартиру гораздо проще – телефонные кабели проложены практически по всем улицам. Но у ADSL есть и недостатки:

• Ограниченная длина линии – об этом мы уже написали.
• Обрыв связи раз в сутки – примерно в одно и то же время (технологическая особенность ADSL).
• Зависимость от затухания в линии – чем больше скруток в проводах и чем хуже качество их соединения в телефонных шкафах, тем больше затухание и ниже скорость.
• Зависимость входящей скорости от занятости исходящего канала – например, если торрент-клиент начал интенсивно работать на раздачу, загрузка страниц начинает страдать. Также сильно вырастает пинг.

Пошёл дождь – на линии возможны проблемы, если где-то вода начинает заливать соединения. Иными словами, недостатков у ADSL много.

Особенности и преимущества оптоволокна

Оптическая линия – это канал, в котором передача данных осуществляется по тонкому оптико-волоконному кабелю. Диаметр рабочей жилы измеряется микрометрами. Информация передаётся посредством модуляции светового потока. Этот поток движется внутри кабеля практически без затуханий. Жила изготавливается из двуокиси кремния и характеризуется минимальным затуханием.

Лёгкое и тонкое оптоволокно способно передавать гигантские объёмы информации. А если в одном кабеле объединены несколько десятков жил, то пропускная способность вырастает до неимоверных величин. Сравните сами – по традиционным медным жилам может вестись только один телефонный разговор, при высокочастотном уплотнении – несколько десятков или сотен разговоров, а оптический кабель с одной жилой может связать несколько тысяч и даже десятков тысяч абонентов.

Оптоволокно характеризуется своей дороговизной. Для его соединения и пайки необходимо дорогостоящее оборудование. Его сложно прокладывать, по нему сложно подключать единичных абонентов. На смену традиционной дорогой оптике пришли оптические сети PON (или GPON), построенные на основе пассивного оптоволокна. Оно отличается дешевизной и простотой соединения, что обеспечило быстрое развитие технологии. Благодаря GPON можно провести скоростной интернет в каждый дом или квартиру по отдельному оптическому кабелю.

Преимущества оптики для абонента:

• Высокая скорость доступа к сетевым ресурсам – в отдельных регионах Ростелеком «разгоняет» домашний интернет до 250 Мбит/сек, это очень приличный показатель. В большинстве регионов максимальная скорость составляет 100 Мбит/сек. В удалённых северных областях скорость ограничена до более низких значений.
• Высокая скорость на отдачу информации – оптоволоконный интернет обеспечит не только быстрое скачивание файлов, но и их быструю отправку.
• Стабильность канала – забудьте о регулярных обрывах связи. Кроме того, оптоволокну совершенно не страшны жара и холод, а также атмосферные осадки.
• Быстрое подключение к сети – на ADSL установление связи занимает около минуты после включения модема. Соединение по оптоволокну занимает несколько секунд.
• Возможность подключения цифрового ТВ с высоким качеством изображения – наслаждайтесь телевидением в формате HD.

Оптоволокно от Ростелекома позволит подключить к интернету целую кучу домашних устройств, причём мешать друг другу они не будут.

Ещё одним преимуществом оптики является более разумный компромисс между абонентской платой и скоростью. В отдельных регионах разница может достигать в 10 раз. Например, 3 Мбит/сек за 550 рублей по ADSL и 30 Мбит/сек за те же 550 рублей по оптоволокну. А подключая сразу несколько услуг в рамках пакетного тарифного плана, вы получите скидку на суммарную абонентскую плату.

Недостатки оптоволокна

Главным недостатком оптоволокна является его небольшая география развития. Особенно страдает частный сектор, где большинство абонентов подключается по телефонным линиям. Абоненты могут ждать годами, дойдёт ли до них оптоволокно от Ростелекома и вообще хоть от какого-нибудь провайдера. Тот же телефон проложить намного проще – шкафы и колодцы есть практически повсюду. А вот подключить оптоволокно от Ростелекома возможно не всегда.

Стоимость проводки оптоволокна Ростелеком в квартиру может оказаться невысокой или даже нулевой – если магистраль дошла до многоэтажного дома, то развести оптику по квартирам дело нескольких часов. А вот цена на подключение в частном секторе может оказаться высокой – до нескольких тысяч или десятков тысяч рублей. Но оно реально того стоит, поверьте.

Основные схемы подключения

Существуют две основные схемы подключения интернета от Ростелекома по оптоволокну. Первая называется FTTx – оптический кабель доходит до многоэтажного дома, далее абоненты подключаются кабелем, используемым для прокладки локальных сетей (витая пара). Эта схема отличается высокой надёжностью, ведь этот кабель обеспечивает скорость подключения до 1 Гбит/сек.

Вторая схема – это технология xPON, когда оптоволоконный кабель для интернета заводится непосредственно в квартиру. Для этого к жёсткому оптическому кабелю подпаивается гибкий (так называемый пигтейл), далее гибкий кабель подключается к медиаконвертеру. От медиаконвертера идёт витая пара к компьютеру или роутеру). Также в продаже присутствуют роутеры с поддержкой PON, здесь медиаконвертер не нужен (заодно не будет лишнюю розетку занимать).

И нтернет по оптоволоконному кабелю является последним изменением способа передачи данных по всему миру. Это намного быстрее, чем обычный кабель, быстрее, чем dial-up, и может переносить большие объемы данных, часто довольно легко достигая нескольких терабайтов передачи данных.

До оптоволокна: DSL и кабель

Цифровая абонентская линия (DSL) использовала существующие телефонные линии для передачи данных, которые обычно делались из меди. DSL медленный, старый, и по большей части был поэтапно отменен в пользу кабеля, но он остается в некоторых сельских районах. Средняя скорость для DSL составляет около 2 Мбит/с.

Кабельный интернет использует коаксиальный кабель, также изготовленный из меди, и, как правило, поставляется с такими же кабелями, которые используются для управления телевизионной сетью. Вот почему многие интернет-провайдеры предлагают в комплекте планы с подпиской на телевидение и доступом в Интернет. Средняя скорость для кабеля варьируется, но колеблется от 20 Мбит/с до 100 Мбит/с.

Оптоволокно

Волоконно-оптические кабели используют небольшие стеклянные волокна для передачи данных с использованием импульсов света. Свет распространяется так же, как и электричество через медный провод, но преимущество заключается в том, что волоконные кабели могут одновременно передавать сразу несколько сигналов. Они невероятно малы, поэтому их часто объединяют в более крупные кабели под названием «волоконно-оптические магистральные кабели», каждая из которых содержит несколько волоконных линий. Волоконные кабели содержат огромное количество данных, а средняя скорость, которую Вы увидите у себя дома, составляет около 1 Гбит/с (часто называемый «гигабитный интернет»).

Волоконные магистральные кабели образуют основную часть современного Интернета, и Вы увидите их преимущества, даже если у Вас нет «волоконного интернета». Это связано с тем, что точки обмена через Интернет (IXP) — коммутационные и маршрутизационные станции которые соединяют Ваш дом с остальной частью мира — используют волоконно-оптические магистральные линии для подключения к другим IXP.

Но когда придет время соединить все дома в городе с Вашим местным IXP (термин, который обычно называют «последней милей»), Ваш провайдер обычно будет использовать традиционный коаксиальный кабель для Вашего дома. Этот вариант становится узким местом для Вашей интернет-скорости. Когда кто-то говорит, что у них есть «оптоволоконный интернет», они имеют в виду, что подключение из их дома к IXP также использует волокно, исключая ограничение скорости медного кабеля.

Ограничения оптоволокна

Есть причина, по которой оптоволоконный интернет не является общедоступным. Волокно намного дороже для запуска и не оправдывает затраты, когда кабельные линии часто уже доступны. Для большинства людей скорость 20-100 Мбит/с, которую они получают на кабеле, достаточна, так как большинство загрузок из Интернета в любом случае не превысят этого соединения.

И хотя волокно, безусловно, лучше, чем медь, Вы не увидите увеличения фактической скорости загрузки из-за ограничений на сервере, с которого Вы загружаете. Такое приложение, как Steam, загружающее игру на 10 ГБ, похоже, потребуется всего несколько секунд на волоконно-оптическом соединении 1000 Мбит/с, но на самом деле Вы получите максимальную скорость 50 Мбит/с от серверов Steam.

Пока вы читаете эти строки, терабайты данных курсируют по всему миру, запертые в стеклянных нитях, протянутых по дну океана. Напоминает магию, но это всего лишь продвинутая технология. Оптическое волокно - технология, которой, человечество обязано естествоиспытателям XIX века. Наблюдая за лучами света на поверхности пруда, они предположили, что светом можно управлять, но претворить в жизнь ту гениальную идею удалось только совсем недавно с появлением сложнейших заводов и тщательным изучением оптических свойств материалов.

Запертый свет

По медной витой паре (как в вашем интернет-кабеле) во множестве движутся электроны. Ток предается по проводнику и несет с собой закодированную в последовательности импульсов - информацию. Нули и единицы - двоичный код, о котором слышали, пожалуй, все. Оптический проводник сигнала работает по тому же принципу, но с точки зрения физики, с ним все гораздо сложнее. Тут могла бы быть получасовая лекция о квантовой механике, и о том, как множество именитых физиков пришли в тупик, пытаясь понять природу света, но постараемся обойтись без пространных рассуждений.

Достаточно держать в уме то, что подобно электронам, фотоны или световые волны (на самом деле в нашем контексте это одно и то же), могут переносить закодированную информацию. Так, например, на аэродромах, в случаях отказа радиосвязи, передают сигналы самолетам при помощи направленных прожекторов. Но то примитивный метод, да и работает он лишь на расстоянии прямой видимости. В то же время, по оптоволокну свет передается на километры и далеко не по прямой траектории.

Чтобы добиться такого эффекта, можно было бы использовать зеркала. Собственно, с этого инженеры-испытатели и начали свои эксперименты. Они покрывали металлические трубы изнутри зеркальным слоем и направляли внутрь луч света. Но мало того, что подобные световоды стоили непомерно дорого. Свет многократно отражался от их стенок и постепенно затухал, терял силу и совершенно сходил на нет.

Зеркала не годились. Иначе и быть не могло. Даже самое дорогое зеркало не идеально. Его коэффициент отражения меньше 100% и после каждого падения на зеркальную поверхность световой луч теряет часть энергии, а в замкнутом объеме световода таких преломлений происходит неисчислимое множество.

Тут-то и пришло время вспомнить о пруде и тех давних исследованиях, что основывались на наблюдении за поведением света в воде. Представьте, как луч закатного солнца падает на поверхность воды, преодолевает границу и направляется вниз, к дну пруда.

Те из читателей, кто помнит школьный курс физики, наверняка уже догадываются, что свет изменит направление своего движения. Часть света пройдет под воду, чуть изменив угол своего движения, а другая незначительная часть света отразится обратно в небо, потому, как «угол падения равен углу отражения». Если долгое время наблюдать за этим явлением, однажды, можно заметить, что свет, отраженный от зеркала под водой, под определенным углом так и не сумеет вырваться наружу - отразится от границы воды и воздуха полностью, лучше, чем от всякого зеркала. Дело не в воде как таковой, а в сочетании двух сред с различными оптическими свойствами - неодинаковыми коэффициентами преломления. Для создания световой ловушки достаточно минимального их различия.

Гибкие световоды

Материалы не столь уж важны. В физических опытах для детей, демонстрирующих этот эффект, часто используют воду и прозрачную пластмассовую трубку. Больше чем на пару метров в таком световоде световой луч не передать, но смотрится это красиво. По той же причине светильники и прочие декоративные изделия часто имеют в своей конструкции световоды из пластмасс. Но когда речь заходит о передаче информации на многие километры, требуются особые, сверхчистые материалы, с минимумом примесей и оптическими свойствами, близкими к идеальным.

В 1934 году американец Норман Р. Френч запатентовал стеклянный световод, который должен был обеспечить телефонную связь, но он толком не работал. Потребовалась масса времени, чтобы найти материал, который бы отвечал высочайшим требованиям к чистоте и прозрачности, изобрести оптическое волокно из диоксида кремния - чистейшего кварцевого стекла. Чтобы создать в прозрачном кремнии разность коэффициентов преломления, прибегают к хитрости. Центр прозрачной болванки, которая превратится в провод, оставляют чистым, в то время, как внешние слои насыщают германием - он изменяет оптические характеристики стекла.

В таком случае, болванку обычно спекают из двух заранее приготовленных стеклянных трубок, вставленных одна в другую. Но можно поступить и наоборот, насытив сердцевину стекловолокна германием. Более технологичным и высококачественным стекловолокно получается, когда стеклянные трубки наполняют изнутри газом и ждут, пока германий сам осядет на стекло тончайшим слоем. Затем трубку разогревают и растягивают до метровой длины. При этом полость внутри закрывается сама.

Получившийся стержень имеет сердцевину с одним коэффициентом преломления и оболочку с другими оптическими параметрами. Он то и послужит для изготовления оптического волокна. Пока тяжелая заготовка толщиной в руку ничем не напоминает провод, но кварцевое стекло хорошо растягивается.

Подготовленную болванку поднимают на высоту десятиметровой башни, закрепляют на вершине и равномерно нагревают до пор, пока по консистенции она не будет напоминать нугу. Тогда из стеклянной болванки под собственным весом начинает тянуться тончайшая нить. По пути вниз она остывает и приобретает гибкость. Это может показаться странным, но сверхтонкое стекло прекрасно гнется.

Готовое оптическое волокно, непрерывно поступающее вниз, окунают в ванну с жидким пластиком, образующим защитный слой на поверхности кварца, а затем сматывают. Так продолжается до тех пор, пока заготовка на вершине башни не будет полностью переработана в единую нить из сотни-другой километров оптического волокна.

Из него, в свою очередь, будут сплетены кабели, содержащие от пары, до пары сотен отдельных стеклянных волокон, упрочняющие вставки, экранирующие слои и защитные оболочки.

1. Осевой стержень.
2. Оптическое волокно.
3. Пластиковая защита оптических волокон.
4. Пленка с гидрофобным гелем.
5. Полиэтиленовая оболочка.
6. Армирование.
7. Внешняя полиэтиленовая оболочка.

Связь со скоростью света

Домашний интернет на постсоветском пространстве, зачастую, проводят по двужильной витой паре с проводниками толщиной в один - два миллиметра. Максимумом для нее, оказывается показатель в 100 мегабит в секунду. Этого достаточно для пары компьютеров, но, когда в квартире оказываются умный телевизор, NAS, раздающий торренты, домашний сервер, несколько смартфонов и умных девайсов из мира интернета вещей, не хватит и восьмижильного провода. Ограничения канала связи становятся очевидны. Как правило, в виде артефактов и заикающихся киногероев на экране телевизора, или лагов в онлайн-играх. Оптоволокно толщиной 9 микрон обладает в 30 раз большей пропускной способностью, не говоря уже о том, что таких жил в проводе может быть несколько.

При этом оно компактнее и весит значительно меньше обычных проводов, что оказывается решающим преимуществом, при прокладке магистральных линий связи и планировании городских коммуникаций.

Оптические кабели соединяют континенты, города и датацентры. В России первая такая линия, появилась в Москве. Первый подводный оптический кабель пролег между Санкт-Петербургом и датским Аберслундом. Затем оптоволокно протянулось между предприятиями, государственными учреждениями и банками. В крупных городах получила распространение схема, при которой оптические линии связи доводят до отдельных многоквартирных домов, и, тем не менее, для рядового потребителя оптическое волокно все еще остается экзотикой. Нам бы было интересно узнать, как много наших читателей использует его дома, потому что, по большинству квартир по-прежнему тянется старая-добрая витая пара.

Оптическое волокно не только дорогое и сложное в производстве. Еще дороже оказывается его квалифицированное обслуживание. Тут не обойтись без синей изоленты. При монтаже волокна кварца необходимо специальным образом сращивать, а линии оптоволоконной связи комплектовать дополнительным оборудованием.

Несмотря на то, что разность коэффициентов преломления в сердцевине и оболочке волокна в теории создает идеальный световод, запущенный по кварцевому проводу свет все равно затухает из-за примесей, содержащихся в стекле. Увы, избавиться от них полностью практически невозможно. Десятка молекул воды на километр оптического волокна уже достаточно, чтобы внести в сигнал ошибки и снизить расстояние, на которое его можно передать.

С подобной проблемой сталкиваются инженеры-электрики и в случае с обычными проводами. Расстояние, на которое можно без проблем отправить сигнал по проводу они называют дистанцией регенерации.

Для стандартного телефонного кабеля она равняется километру, у экранированного кабеля - пяти. Оптоволоконная жила удерживает свет на расстоянии до нескольких сотен километров, но, в конце концов, сигнал все равно приходится усиливать, регенерировать. На классических линиях связи устанавливаются сравнительно дешевые и простые усилители. Для оптоволоконных – требуются сложные и высокотехничные агрегаты в которых используются редкоземельные металлы и инфракрасные лазеры.

В линию связи врезают небольшой участок специально подготовленного стекловолокна. Оно дополнительно насыщенно атомами эрбия, редкоземельного элемента используемого, помимо прочего, в атомной промышленности. Атомы эрбия в этом участке волокна находятся в возбужденном состоянии из-за дополнительной накачки светом. Проще говоря, их подсвечивают специально настроенным лазером. Сигнал, проходящий такую область кабеля, усиливается примерно в два раза, поскольку атомы эрбия в ответ на воздействие излучают свет той же волны, что и входящий сигнал, а значит, сохраняют закодированную в нем информацию. После усилителя оптический сигнал может пройти еще около ста километров, прежде чем процедуру потребуется повторить.

Такие системы требуют обученных специалистов для обслуживания и постоянного присмотра, так что экономическая выгода от прокладки индивидуальных оптических линий для конкретных абонентов остается сомнительной в большинстве стран мира. И все же, все мы используем стекловолокно для передачи сообщений. Весь современный интернет базируется на этой технологии и именно благодаря ей стали возможны интернет трансляции в сверхвысоком разрешении, видеостриминг, онлайн игры с минимальной задержкой, мгновенная связь с практически любой точкой планеты и даже мобильный интернет. Да, базовые станции сотовой связи также связывает стекловолокно.

Несмотря на то, что ученые ищут новые пути построения коммуникационных сетей, мы не получим ничего более практичного еще очень долго. Экспериментальные технологии позволяют поднять информационную емкость стекловолокна в два-три раза, все более толстые многожильные стеклянные кабели ложатся на морское дно между континентами, однако принципиальные ограничения, накладываемые скоростью света, запертого в кварцевой жиле, преодолеть вряд ли удастся. Выходом видится отказ от кварца и связанных с ним ограничений, передача информации с помощью лазеров, но она возможна только по прямой. Следовательно, передатчики придется разместить в космосе или хотя бы в верхних слоях атмосферы. Подобные эксперименты в последние годы привлекли внимание крупнейших корпораций, но это уже совсем другая история.