Стекло или пластик?

В сфере телекоммуникаций как всегда неспокойно. Волоконная оптика неуклонно наступает, отвоевывая у медного кабеля право на трон. В том же направлении эволюционирует и оборудование: появляется все больше устройств, ориентированных на работу именно с оптическими кабелями связи. Но и в лагере завоевателей ведется непрерывная подковерная борьба: что  же предпочтительнее - пластиковое оптическое волокно или все-таки более привычное для всех кварцевое?

Немного теории...

Пластиковое, или полимерное оптическое волокно (POF - Plastic/Polymer Optical Fiber) - это оптическое волокно, изготовленное из полимерных материалов (спасибо, кэп). В процессе эволюции химический состав используемых полимеров, размеры и конструкция претерпели неоднократные изменения, некоторые разработки были стандартизированы. В соответствии со стандартом IEC-60793-2-40 на сегодняшний день существует восемь типов пластикового волокна. Самым распространенным является многомодовое волокно со ступенчатым показателем преломления диаметром 1 мм из полиметилметакрилата (PMMA), так же известного как оргстекло, плексиглас, акрил и т.п. Световод занимает около 96-98% поперечного сечения волокна.

Сравните: 50/125 мкм - диаметр световода / общий диаметр кварцевого многомодового волокна, и 980/1000 мкм - те же параметры для пластикового волокна. Ничего себе размерчик, правда? Число пространственных мод оптического излучения в пластиковом волокне может достигать нескольких миллионов. И как вы уже догадались - одномодового пластикового волокна не бывает.

Затухание в полимерном волокне несравнимо больше, нежели в кварцевом. Минимумы затухания приходятся на окна 520, 560 и 650 нм и составляют 100-200 дБ на 1 км волокна. Правда, в более современных версиях POF со световодами из перфторированных полимеров минимумы потерь находятся уже в инфракрасном диапазоне (около 1300 нм).

... и немного истории

Впервые пластиковое волокно было изготовлено в 1968 г. компанией DuPont. В 1978 г. DuPont продал весь бизнес, связанный с POF, японской компании Mitsubishi Rayon. На тот момент потери в полимерном волокне составляли 1000 дБ/км. Спустя несколько лет японцам удалось снизить эти потери до 150 дБ/км на длине волны 650 нм. Работы над уменьшением затухания не прекращались, но снизить его до 1 дБ/км как в кварцевом волокне? Mission impossible! Тем временем на низкоскоростных коротких линиях продолжала царствовать медь, высокоскоростную нишу понемногу отвоевывал оптический кабель на кварцевом волокне. А пластиковое волокно со своими весьма скромными характеристиками осталось как-то не у дел, и производство его фактически прекратилось.

Стекловолокно - коротко о главном

Теперь вспомним, что мы знаем о кварцевом (стеклянном) волокне.

Стеклянное (кварцевое) оптическое волокна намного тоньше пластикового, его нельзя резать (но можно скалывать :)), нельзя склеить или починить (но можно сварить :)), оно не слишком гибкое, может случайно сломаться... Но! Ассортимент кабелей на основе кварцевого волокна, можно сказать - на все случаи жизни. Для оконцевания существуют разные виды коннекторов. Стекловолокно идеально для применения в агрессивных средах. Оно продолжает исправно выполнять свои функции при воздействии механического напряжения, высоких температур или химических веществ - просто универсальный солдат!

Об истории кварцевого оптического волокна мы уже писали, о его производстве планируем написать в ближайшее время, поэтому сегодня подробно останавливаться на этом вопросе не будем. Поговорим сейчас о преимуществах и недостатках пластикового волокна и попробуем понять - не рано ли списывать его со счетов!

Плюсы

Посмотрите на эти рисунки. На них представлены два оптических кабеля - на основе пластикового волокна и на основе кварцевого. Что в первую очередь бросается в глаза - это диаметр волокна. Как говорится - почувствуйте разницу. А второе - положение упрочняющих арамидных нитей в конструкции кабеля. Посмотрите, сколько их непосредственно вокруг стеклянного волокна, чтобы защитить его от перегибов, которые могут привести к поломке. Пластиковое волокно на коротких линиях в подобной защите не нуждается, потому что обладает хорошими механическими характеристиками (например, стойкостью к нагрузкам и изгибам и прочностью). А еще, в тех условиями, в которых обычно оно используется, такая защита не является необходимой.

Вот еще преимущества пластикового волокна, о которых можно услышать чаще всего:
• линии на основе пластикового волокна более простые с точки зрения монтажа и менее дорогостоящие (с учетом компонентов);
• пластиковое волокно весит меньше кварцевого;
• работает в видимой части спектра;
• обладает большой гибкостью и устойчивостью к ударам и вибрации;
• имеет иммунитет к электромагнитным помехам (EMI);
• легкость в обращении и подключении (большой диаметр POF=1 мм). Монтаж коннекторов осуществить проще, эпоксидный клей при этом не используется. POF оконцовывают как стандартными коннекторами (FC, ST и т.д.), так и специально сконструированными для пластикового волокна (коннекторы Versatile Link от Avago Technologies, например).

а еще пластиковое волокно можно подключить к приемникам и передатчикам напрямую, без коннектора! Правда, не ко всем, а только к имеющим специальный механизм фиксации. В этом случае задача монтажника - сделать торец волокна ровным и вставить его в разъем передающего устройства.

И еще о плюсах:
• простота и относительная дешевизна испытательного оборудования;
• ввод излучения в пластиковое волокно значительно проще, чем в стекловолокно, требующее дорогостоящих узконаправленных лазеров или специальной фокусирующей оптики. Для POF достаточно доступных по цене светодиодов LED, излучающих в видимом диапазоне и имеющих широкий угол расходимости.
• приемопередатчики для пластикового волокна требуют меньше энергии, чем медные приемопередатчики.

В целом, линию связи на пластиковом волокне прокладывать быстрее, чем на обычном. Замена поврежденных участков на линии POF так же происходит быстрее. Несмотря на то, что пластиковое волокно может стоить немного дороже обычного, общие затраты на монтаж и ремонт или общая стоимость линии значительно ниже за счет небольшой цены на компоненты.

А стекло?

Все это делает пластиковые волокна более дешевой альтернативой стекловолокну или меди на средних расстояниях и скоростях передачи до 10 Гбит / с.  Стеклянные оптические волокна требуют более сложной обработки и большей деликатности в обращении. Они механически более защищенные,  имеют высокую пропускную способность  с меньшими потерями. Кроме того, стеклянные оптические волокна могут использоваться как в видимом красном, так и в инфракрасном диапазоне и совместимы с длинным списком коннекторов.

 Минусы

Но существуют и недостатки POF:
• огромные значения затухания в полимерных материалах во время передачи,  а так же малая устойчивость к воздействию высоких температур;
• ограниченное количество поставщиков систем на пластиковом волокне;
• недостаточная стандартизация в этой области;
• недостаточная осведомленность пользователей о том, как устанавливать и проектировать линии POF (дефицит информации);
• ограниченный выпуск, не позволяющий пользователям реализовать весь потенциал пластиковых оптических волокон;
• небольшое количество известных систем и их компонентов;
• не всегда есть действующие программы сертификации от установщиков POF и т.д.

 Область применения

Из-за больших значений затухания POF имеет заметные ограничения по скорости и дальности передачи информации. Линии на основе пластикового волокна имеют длину около нескольких десятков метров, а максимальная скорость передачи может достигать нескольких Гбит/с, но только при использовании усовершенствованных пластиковых волокон. Обычно же скорость передачи - не более 200 Мбит/с.

Эти ограничения определяют сферу применения POF: все преимущества пластикового волокна наилучшим образом проявляются в низкоскоростных сетях малой протяженности, например это:

Промышленные линии связи

Пластиковое волокно успешно заменяет медные линии в индустриальных сетях, работающих по протоколам RS-485, Fast Ethernet, Fieldbus. Это объясняется тем, что POF (как и кварцевое волокно) - диэлектрик, и его можно использовать вблизи источников электромагнитных помех, таких как силовые кабели, электродвигатели и т.п.

Датчики и автомобильная электроника

В современной автомобильной промышленности все большее внимание уделяется программно-аппаратным комплексам управления различными системами внутри транспортных средств, в частности мультимедийными системами. Пластиковое волокно полностью удовлетворяет требованиям для передачи данных по специальным протоколам для автомобильных линий связи (например, MOST – Media Oriented Systems Transport).

Медицина

POF может использоваться для связи между блоком управления и высоковольтным оборудованием  в рентгеновских аппаратах.

Домашние/корпоративные сети передачи данных

В России пока не очень популярна эта ниша в качестве области применения POF. Но тем не менее, в масштабах квартиры или офиса пластиковое волокно вполне может конкурировать с традиционными медными линиями.

Системы освещения и иллюминации

POF может быть использовано для подсветки объектов в рекламных конструкциях.

Вывод

У проектировщиков сетей должно быть четкое понимание, что существует альтернатива меди и привычной нам оптике на кварцевом волокне. Тот, кто умеет считать деньги, должен запомнить, что применение POF наиболее эффективно в условиях, когда передача данных по медным линиям сопряжена с трудностями или же невозможна вообще, а использование кварцевого волокна экономически невыгодно. Плюс то, что пластиковые волокна идеально подходят для приложений, требующих непрерывного изгиба волокна.

Сейчас пластиковое оптическое волокно - пока неведомый зверь,   неисхоженная целина и белое пятно на карте оптических компонентов. Но у этой темы громадный потенциал, все чаще возникает интерес к ней. И если продолжить развитие этого направления в производстве оптического кабеля (а оно уже рвется вперед семимильными шагами) - как знать, возможно совсем скоро пластиковое волокно заменит медь, а может даже превзойдет своего главного оппонента - кварцевое волокно!

Мы попытались объяснить разницу между пластиковым и стеклянным волокном. Теперь вам известно об их сильных и слабых сторонах. И ваша задача - выбрать то, которое наилучшим образом соответствует вашим требованиям к сети.