Оптоволоконные линии связи. Оптоволоконные линии связи: неограниченные возможности

Технологический век дал нам много ярких изобретений и открытий, но, по-видимому, именно возможность передачи информации на большие расстояния внесла один из наиболее весомых вкладов в развитие технологий. Носители, по которым передаются данные, прошли долгий путь развития от медной проволоки столетие назад до современных оптоволоконных кабелей. В результате многократно увеличились объемы информации, скорости и расстояния ее передачи, что расширило пределы технологического развития во всех областях.

Современные оптоволоконные кабели из стекла с малыми потерями обеспечивают практически неограниченную полосу пропускания и имеют массу других преимуществ над ранее созданными носителями. Простейшая оптоволоконная система передачи информации между двумя точками состоит из трех основных элементов: оптического передатчика, оптоволоконного кабеля и оптического приемника (рис. 1).

Рис. 1. Схема простейшей оптоволоконной системы передачи информации

Оптический передатчик преобразует аналоговый или цифровой электрический сигнал в соответствующий ему световой сигнал. Источником света может быть либо светодиод, либо твердотельный лазер. Чаще всего используются источники света с длиной волны 850, 1300 и 1550 нанометров.

Оптоволоконный кабель состоит из одного или нескольких стеклянных волокон, которые для света работают как волноводы (световоды). По конструкции оптоволоконный кабель похож на электрический, но содержит специальные элементы для защиты находящихся внутри него световодов. Соединение многокилометровых кабелей выполняется с помощью разъемных и неразъемных оптических соединителей.

Оптический приемник преобразует световой сигнал в копию исходного электрического сигнала. В качестве чувствительного элемента оптического приемника используется либо лавинный фотодиод, либо (чаще) PIN-фотодиод.

Оптоволоконные системы передачи информации - оптические приемник и передатчик, связанные оптоволоконным кабелем - имеют много преимуществ над обычными медными проводами и коаксиальными кабелями:

Почему оптоволоконные системы обладают этими полезными свойствами? Прочитав эту брошюру и поняв принципы, лежащие в основе оптоволоконной технологии, вы получите ответ на этот вопрос. Каждому из трех компонентов оптоволоконных систем - передатчикам, приемникам и кабелям - посвящен свой раздел.

Оптические передатчики

Оптический передатчик преобразует электрический сигнал в модулированный световой поток, предназначенный для передачи по оптоволокну. В зависимости от типа сигнала могут использоваться различные способы модуляции - включение и выключение света или его плавное изменение между заданными уровнями пропорционально входному сигналу. На рис. 2 эти два основных способа модуляции показаны на графиках зависимости интенсивности света от времени.

Рис. 2. Основные методы модуляции светового потока

Чаще всего в оптических передатчиках в качестве источника света используются светоизлучающие диоды (светодиоды) и полупроводниковые лазеры (лазерные диоды). Для использования в оптоволоконных системах эти устройства изготавливаются в корпусах, позволяющих подвести оптоволокно максимально близко к зоне, излучающей свет. Это необходимо для того, чтобы направить как можно больше света в световод. Иногда излучатель оборудован микроскопической сферической линзой, позволяющей собрать весь свет «до последней капли» и направить его в волокно. В некоторых случаях стеклянная нить присоединяется непосредственно к поверхности излучающего свет кристалла.

Чаще всего в оптических передатчиках в качестве источника света используются светоизлучающие диоды (светодиоды) и полупроводниковые лазеры (лазерные диоды).

У светодиодов площадь излучающего элемента довольно велика, и поэтому они излучают не так эффективно, как лазеры. Однако светодиоды широко используются на линиях связи малой и средней длины. Светодиоды гораздо дешевле лазеров, имеют почти линейную зависимость интенсивности излучения от величины электрического тока, интенсивность их излучения слабо зависит от температуры. Лазеры, напротив, имеют очень малую площадь излучающей поверхности и могут отдавать в оптоволокно гораздо большую мощность, чем светодиоды. Они тоже линейны по току, но очень сильно подвержены влиянию температуры и для достижения необходимой стабильности требуют применения более сложных электронных схем. Поскольку лазеры довольно дороги, они в основном используются там, где требуется передача данных на большие расстояния.

Поскольку лазеры довольно дороги, они в основном используются там, где требуется передача данных на большие расстояния.

Применяемые в оптоволоконной связи светодиоды и лазеры излучают в инфракрасной части спектра электромагнитных волн и поэтому их свет невидим человеческим глазом без применения специальных средств. Длина волны излучения выбрана с учетом максимальной прозрачности материала световодов и наивысшей чувствительности фотодиодов. Наиболее часто используемые сейчас длины волн - 850, 1300 и 1550 нанометров. Для всех трех длин волн выпускаются как светодиоды, так и лазеры.

Как уже было сказано, световой поток светодиодов и лазеров модулируется одним из двух способов: «включено-выключено» или линейным непрерывным изменением интенсивности. На рис. 3 показаны упрощенные схемы, реализующие оба способа модуляции. Для управления излучателем используется транзистор, на базу которого поступает предварительно сформированный цифровой сигнал. Максимальная частота модуляции при этом определяется электронной схемой и свойствами излучателя. Со светодиодами легко достижимы частоты в несколько сотен мегагерц, с лазерами - в тысячи мегагерц. На схеме не показан узел термостабилизации (светодиодам он обычно вообще не требуется).

Линейная модуляция осуществляется с помощью схемы на основе операционного усилителя (рис. 3B). Модулирующий сигнал подается на инвертирующий вход усилителя, постоянное смещение поступает на неинвертирующий вход. Здесь также не показана схема термостабилизации.

Рис. 3. Методы модуляции светового потока светодиодов
и полупроводниковых лазеров

В цифровом сигнале, для передачи которого используется модуляция «включено-выключено», логические уровни могут кодироваться различными способами. В наиболее простом из них логической единице соответствует наличие света, логическому нулю - его отсутствие. Кроме того, применяются широтно-импульсная и частотно-импульсная модуляция. При широтно-импульсной модуляции используется непрерывный поток импульсов, двумя различными длительностями которых кодируются логические уровни сигнала. При частотно-импульсной модуляции все импульсы имеют одинаковую длительность, но частота их следования меняется в зависимости от передаваемого логического уровня.

Рис 4. Различные методы оптической передачи аналоговой
и цифровой информации

В цифровом сигнале, для передачи которого используется модуляция «включено-выключено», логические уровни могут кодироваться различными способами. В наиболее простом из них логической единице соответствует наличие света, логическому нулю - его отсутствие.

Для аналоговой модуляции также существует несколько методов. Простейший из них - линейная модуляция, где интенсивность источника света прямо связана с величиной передаваемого сигнала. В других методах передаваемый сигнал вначале модулирует высокочастотную несущую (а в некоторых случаях и несколько несущих), а затем этот сложный сигнал управляет яркостью источника света.

На рис. 4 показана зависимость интенсивности света от времени для этих методов модуляции.

Частота света (который тоже является электромагнитным излучением) весьма велика - порядка миллионов гигагерц. Полоса частот излучателей света (лазеров и светодиодов) достаточно широка, но, к сожалению, современная технология не дает возможности селективного использования этой полосы, как это делается при передаче информации по радио. В оптическом передатчике происходит включение и выключение всей полосы частот сразу, как это делалось в первых искровых передатчиках на заре эры радио. Со временем ученые преодолеют это препятствие и станет возможной «когерентная передача», что определит дальнейшее развитие оптоволоконной технологии.

Световоды

Ввод света в оптическое волокно

Чем выше мощность излучателя, тем больше света попадает в световод.

После того, как передатчик преобразовал входной электрический сигнал в нужным образом модулированный свет, его необходимо ввести в оптическое волокно. Как уже говорилось, для этого существует два способа: прямое соединение излучающего элемента со световодом, и размещение световода в непосредственной близости от излучателя. При использовании второго способа количество света, которое попадет в оптоволокно, зависит от четырех факторов: интенсивности излучения, площади излучающего элемента, входного угла световода и потерь на отражение и рассеяние. Кратко рассмотрим все эти факторы.

Интенсивность излучения светодиода или лазера зависит от его конструкции и обычно выражается как общая мощность излучения при определенном токе. Иногда эта цифра указывается как реальная мощность, передаваемая в оптоволокно конкретного типа. При прочих равных условиях чем выше мощность излучателя, тем больше света попадает в световод.

Отношение площадей излучающего элемента и сердцевины оптоволокна определяет долю общей мощности, которая попадает в световод - чем меньше это отношение, тем больше света окажется в волокне.

Только тот свет, который вошел в оптоволокно под углом, меньшим или равным входному, будет распространяться по световоду.

Входной угол оптоволокна характеризуют его числовой апертурой (numerical aperture, NA), которая определяется как синус половины входного угла. Типовые значения NA лежат в диапазоне от 0,1 до 0,4, что соответствует входному углу от 11 до 46 градусов. Только тот свет, который вошел в оптоволокно под углом, меньшим или равным входному, будет распространяться по световоду.

Потери. Кроме потерь от загрязнений на поверхности оптоволокна, всегда существуют неизбежные потери интенсивности света, вызванные отражением на входе в световод и выходе из него. Это так называемые френелевские потери (по имени французского физика О. Ж. Френеля), которые составляют примерно 4% общей интенсивности на каждой границе раздела стекло-воздух. При необходимости для снижения этих потерь на соединяемые стеклянные поверхности наносят немного специального оптического геля.

Типы оптического волокна

Сейчас используется два типа оптического волокна: со ступенчатым и плавным изменением показателя преломления вдоль радиуса (профилем). На рис. 5 показано, что свет распространяется по таким световодам по-разному.

Рис 5. Распространение света по оптоволокну со ступенчатым и плавным профилями показателя преломления

Оптоволокно характеризуется толщиной сердцевины и оболочки, которую выражают в микрометрах. Сейчас наиболее распространены три типоразмера оптоволокна общего назначения, хотя существуют и другие типоразмеры для специальных применений. Это многомодовые световоды 50/125 и 62,5/125 мкм и одномодовые 8-10/125 мкм.

Как показано на рисунке, волокно со ступенчатым профилем показателя преломления состоит из сердцевины, изготовленной из стекла с малыми оптическими потерями, окруженной стеклянной оболочкой с более низким показателем преломления. Такое различие показателей преломления заставляет свет отражаться от границы между сердцевиной и оболочкой на всем пути распространения. Оптоволокно с плавным профилем состоит из стекла только одного сорта, но оно обработано так, что его показатель преломления плавно уменьшается от центра к периферии. В результате световод, подобно протяженной линзе, постоянно отклоняет распространяющийся по нему свет к центру.

Оптоволокно характеризуется толщиной сердцевины и оболочки, которую выражают в микрометрах. Сейчас наиболее распространены три типоразмера оптоволокна общего назначения, хотя существуют и другие типоразмеры для специальных применений. Это многомодовые световоды 50/125 и 62,5/125 мкм и одномодовые 8-10/125 мкм. Первые два типоразмера обычно используются вместе со светодиодными излучателями на линиях передачи малой и средней длины. Оптоволокно с сердцевиной 8-10 мкм чаще всего применяется в телекоммуникационных системах большой протяженности совместно с лазерными оптическими передатчиками.

Потери в оптическом волокне

Кроме потерь интенсивности сигнала в соединении излучателя и световода, потери происходят также и при распространении света по оптоволокну. Сердцевина оптического волокна делается из сверхчистого стекла с очень низкими потерями. Стекло должно иметь высочайшую прозрачность, поскольку по изготовленному из него волокну свет должен проходить километры. Давайте посмотрим на обычное оконное стекло. Оно прозрачно, но только потому, что его толщина всего 3-4 мм. Достаточно взглянуть на торец стеклянной пластины и увидеть его зеленую окраску, чтобы понять, как сильно она поглощает свет даже на длине в десяток-другой сантиметров. Легко представить, как же мало света пройдет через стометровую толщу оконного стекла!

Большинство световодов общего назначения дает на длине волны 850 нм потери от 4 до 6 децибел на километр (то есть на одном километре теряется от 60 до 75% света). На длине волны 1300 нм по- тери снижаются до 3-4 дБ/км (50-60%), а на 1550 нм они еще меньше - не является чем-то необычным значение 0,5 дБ/км (10%).

Большинство световодов общего назначения дает на длине волны 850 нм потери от 4 до 6 децибел на километр (то есть на одном километре теряется от 60 до 75% света). На длине волны 1300 нм потери снижаются до 3-4 дБ/км (50-60%), а на 1550 нм они еще меньше - не является чем-то необычным значение 0,5 дБ/км (10%).

Основной причиной потерь является поглощение света неоднородностями и рассеяние на них. Другая причина потерь в оптоволокне - его чрезмерный изгиб, при котором часть света выходит из сердцевины. Во избежание таких потерь радиус изгиба оптоволоконного кабеля при прокладке должен быть не менее 2,5 см (а чаще и еще больше).

Полоса пропускания оптоволокна

Однако полоса пропускания оптоволокна для модулированного сигнала ограничена, и тем сильнее, чем длиннее световод.

Чем меньше мод в излучении, тем шире полоса пропускания оптоволокна.

Перечисленные выше потери не зависят от частоты модуляции, то есть уровень потерь в 3 дБ означает, что до получателя не дойдет 50% света независимо от того, модулирован он сигналом 10 Гц или 100 МГц. Однако полоса пропускания оптоволокна для модулированного сигнала ограничена, и тем сильнее, чем длиннее световод. Причину этого ограничения поясняет рис. 6. Свет, вошедший в оптоволокно под малым углом к его оси (M1) распространяется по более короткому пути, чем тот, который входит под углом, близким к предельному входному (M2). В результате различные лучи, исходящие от одного и того же источника (называемые модами), приходят к даль- нему концу световода не одновременно, что приводит к эффекту размывания - уширению коротких импульсов. Это ограничивает максимальную частоту сигнала, передаваемого по оптоволоконному кабелю. Говоря кратко, чем меньше мод в излучении, тем шире полоса пропускания оптоволокна. Чтобы уменьшить число распространяющихся мод, сердцевину волокна делают тоньше. Одномодовое волокно с диаметром сердцевины от 8 до 10 мкм имеет значительно более широкую полосу пропускания, чем многомодовые волокна с диаметром 50 и 62,5 мкм, по которым может одновременно распространяться большое число мод излучения.

Рис. 6. Полоса частот модуляции, пропускаемых оптоволокном,
ограничивается существованием различных путей распространения света

Типовая полоса пропускания для обычных волоконных световодов составляет несколько мегагерц на километр для волокна с очень большим диаметром сердцевины, несколько сотен мегагерц на километр для стандартного многомодового волокна и тысячи мегагерц для одномодовых оптических волокон. С ростом длины кабеля полоса пропускания пропорционально снижается. Например, кабель, имеющий полосу 500 МГц на длине 1 км, при длине 2 км сможет обеспечить полосу в 250 МГц, а при 5 км - лишь в 100 МГц.

Очень широкая полоса пропускания одномодовых световодов позволяет практически не обращать внимания на их длину. Однако для многомодовых волокон этот фактор важен, поскольку нередко частотный диапазон передаваемых сигналов превосходит полосу пропускания кабелей.

Конструкция оптоволоконного кабеля

Типовая полоса пропускания для обычных волоконных световодов составляет несколько мегагерц на километр для волокна с очень большим диаметром сердцевины, несколько сотен мегагерц на километр для стандартного многомодового волокна и тысячи мегагерц для одномодовых оптических волокон. С ростом длины кабеля полоса пропускания пропорционально снижается.

Оптоволоконные кабели выпускаются разного диаметра и конструкции. Как и в случае коаксиальных, конструкция оптоволоконных кабелей определяется его предназначением. Внешне оптоволоконный кабель похож на коаксиальный. На рис. 7 схематично показано устройство стандартного оптоволоконного кабеля.

Оптоволокно имеет защитное покрытие, предохраняющее его от повреждений в производственном процессе. Оно помещается в облегающую его поливинилхлоридную трубку, где может свободно изгибаться при прокладке вокруг углов стен и в кабельных каналах.

Эта трубка окружена оплеткой из кевлара, принимающей на себя основное механическое усилие, которое действует на кабель при прокладке. Наконец, внешняя оболочка из поливинилхлорида защищает весь кабель и предотвращает проникновение влаги внутрь.

Кабели такой конструкции пригодны для прокладки внутри зданий, где не требуется значительная стойкость к внешним воздействиям. Существуют кабели практически для любого варианта прокладки, например, для прямой укладки в грунт, армированные устойчивой к грызунам внешней оболочкой из стали и сертифицированные UL негорючие кабели для прокладки над фальшпотолками. Выпускаются и многожильные кабели с цветовой кодировкой.

Рис. 7. Устройство стандартного оптоволоконного кабеля

Другие типы световодов

Пластмассовые световоды применяются для передачи данных на очень малые расстояния внутри электронного оборудования совместно с недорогими светодиодами. Одно из стандартных применений таких световодов - оптическая развязка цепей управления в высоковольтных источниках питания.

Еще два типа световодов - кварцевые с сердцевиной очень большого диаметра и целиком изготовленные из пластмассы - обычно не используются в телекоммуникациях. Кварцевые световоды используются для передачи мощных световых потоков, например в лазерной хирургии. Пластмассовые световоды применяются для передачи данных на очень малые расстояния внутри электронного оборудования совместно с недорогими светодиодами. Одно из стандартных применений таких световодов - оптическая развязка цепей управления в высоковольтных источниках питания.

Оптические соединители

С помощью оптических соединителей оптоволоконные кабели подключаются к оборудованию или соединяются между собой. Они похожи на электрические разъемы по функциям и внешнему виду, но требу- ют очень высокой точности изготовления. В оптическом разъемном соединении необходимо прецизионное совмещение и центровка сердцевины обоих волокон. Поскольку их диаметр весьма мал (например, 50 мкм), требования к точности очень высоки: допуск имеет порядок одного микрона.

Сейчас используются оптические разъемы множества различных типов. Разъем SMA, использовавшийся еще до изобретения одномодовых волокон, до недавнего времени оставался наиболее распространенным. На рис. 8 показаны детали конструкции этого разъема.

Рис. 8. Конструкция разъема SMA

Следует иметь в виду, что многомодовые разъемы ST будут корректно работать только с многомодовыми световодами.

Для многомодовых волокон сейчас чаще всего применяется разъем ST, разработанный компанией AT&T. В нем применен байонетный фиксатор, а общие потери меньше, чем в SMA. Подобранная пара разъемов ST обеспечивает уровень потерь менее 1 дБ (20%) и не требует дополнительных направляющих втулок или других подобных элементов. Специальный выступ, не дающий разъему поворачиваться, гарантирует, что при соединении оптические волокна всегда будут устанавливаться в одно и то же положение друг относительно друга, что обеспечивает стабильность характеристик разъемного соединения.

Разъемы ST выпускаются как для многомодовых, так и для одномодовых световодов - основное различие состоит в величине допусков. Следует иметь в виду, что многомодовые разъемы ST будут корректно работать только с многомодовыми световодами. Более дорогие одномодовые разъемы ST можно использовать как с одномодовыми, так и с многомодовыми световодами. Процедуры установки разъемов ST и SMA на кабель сходны и занимают примерно одинаковое время. На рис. 9 показаны основные элементы ставшего промышленным стандартом разъема ST.

Рис. 9. Основные элементы разъема ST

Неразъемные соединения световодов

Хотя для соединения двух световодов можно использовать оптические разъемы, существуют другие методы, обеспечивающие значительно более низкие потери. Два наиболее распространенных - механическое соединение и сварное соединение. Оба обеспечивают уровень потерь от 0,15 до 0,1 дБ (3-2%).

Для механического соединения концы световодов освобождаются от оболочек, их торцы очищаются и точно совмещаются с использованием специального механического приспособления. На место соединения наносится оптический гель, снижающий до минимума потери на отражение. Совмещенные концы световодов удерживаются на месте запорным механизмом.

Оптические приемники

Основная задача оптического приемника - преобразование модулированного светового потока, поступающего из оптоволокна, в копию исходного электрического сигнала, поданного на передатчик.

Основная задача оптического приемника - преобразование модулированного светового потока, поступающего из оптоволокна, в копию исходного электрического сигнала, поданного на передатчик. В качестве детектора в приемнике обычно используется PIN- или лавинный фотодиод, который устанавливается на оптическом соединителе (подобном используемому для источников света). У фотодиодов обычно довольно большой чувствительный элемент (несколько микрометров в диаметре), поэтому требования к точности позиционирования оптического волокна не такие жесткие, как для передатчиков.

Важно использовать приемники только с тем типоразмером волокна, для которого они предназначены, иначе может возникнуть перегрузка усилителя.

Интенсивность излучения, выходящего из оптоволокна, достаточно мала, и в оптических приемниках устанавливаются внутренние усилители с большим коэффициентом усиления. Поэтому важно использовать приемники только с тем типоразмером волокна, для которого они предназначены, иначе может возникнуть перегрузка усилителя. Если, например, пара передатчик-приемник, предназначенная для одномодового оптоволокна, используется с многомодовым, то в приемник поступит слишком много света, что вызовет его насыщение и серьезное искажение выходного сигнала. Аналогично, при использовании одномодового волокна с передатчиком и приемником, рассчитанными на многомодовое, до приемника дойдет мало света, и выходной сигнал будет содержать много шума или вообще не появится. Единственный случай, когда несоответствие приемника и передатчика типу волокна может оказаться полезным - чрезмерные потери в световоде. Тогда дополнительные 5-15 дБ, которые даст замена одномодового волокна на многомодовое, спасут положение и позволят получить работоспособную систему. Однако это экстремальная ситуация, и такое решение не рекомендуется для нормального применения.

Следует помнить, что электронные приемники сигнала, в отличие от оптоволоконного кабеля, восприимчивы к электромагнитным помехам, поэтому при работе с ними следует использовать стандартные меры защиты - экранирование, заземление и т.п.

Как и передатчики, оптические приемники выпускаются в аналоговом и цифровом вариантах. В них обоих используется аналоговый предварительный усилитель, за которым включен аналоговый или цифровой выходной каскад.

На рис. 10 показана функциональная схема простого аналогового оптического приемника. Первый каскад - операционный усилитель, включенный как преобразователь тока в напряжение. Слабый ток, генерируемый фотодиодом, преобразуется здесь в напряжение, амплитуда которого обычно составляет несколько милливольт. В следующем каскаде, представляющим собой простой усилитель напряжения, сигнал усиливается до необходимого уровня.

Функциональная схема цифрового оптического приемника показана на рис. 11. Как и в случае аналогового приемника, первый каскад представляет собой преобразователь тока в напряжение. Его выходной сигнал поступает на компаратор напряжения, который выдает чистый цифровой сигнал с малой длительностью перепадов. Регулятор уровня срабатывания компаратора, если он есть, используется для точной настройки симметрии восстановленного цифрового сигнала.

Часто в приемники для наиболее точного воспроизведения входного сигнала добавляются дополнительные каскады, которые работают как линейные усилители для коаксиальных кабелей, преобразователи протоколов и т.п. Следует помнить, что электронные приемники сигнала, в отличие от оптоволоконного кабеля, восприимчивы к электромагнитным помехам, поэтому при работе с ними следует использовать стандартные меры защиты - экранирование, заземление и т.п.

Рис. 10. Простейший аналоговый оптический приемник

Рис. 11. Простейший цифровой оптический приемник

Разработка оптоволоконной системы

При разработке оптоволоконной системы следует учитывать множество факторов, каждый из которых вносит свой вклад в конечную цель - гарантию того, что в приемник поступит достаточное количество света. Без достижения этой цели система не будет работать правильно. На рис. 12 указаны многие из этих факторов.

Рис. 12. Важнейшие параметры, которые необходимо учитывать
при разработке оптоволоконной системы

При инженерной разработке оптоволоконной системы рекомендуется использовать следующую пошаговую процедуру:

1. Выбор приемника и передатчика, подходящих для того типа сигнала, который необходимо передавать (аналоговый, цифровой, видеосигнал, RS-232, RS-422, RS-485 и т.д.).
2. Определение имеющихся источников питания (переменное напряжение, постоянное напряжение и др.).
3. Определение, при необходимости, специальных требований (например, импедансов, полосы пропускания, специальных разъемов и диаметра волокна и т.п.).
4. Расчет общих потерь в системе (в децибелах): суммирование потерь в кабелях, в разъемных и неразъемных соединениях. Эти характеристики можно получить у производителей электронных устройств и оптоволоконных кабелей.
5. Сравнение полученной цифры потерь с допустимым значением уровня сигнала на входе приемника. Следует подстраховаться, добавив запас как минимум в 3 дБ на всю систему.
6. Проверка соответствия полосы пропускания системы потребностям передачи нужного типа сигнала. Если расчеты покажут, что полоса пропускания окажется недостаточной для передачи сигнала на нужное расстояние, то следует либо выбрать другой приемник и передатчик (другую длину волны), либо рассмотреть возможность использования более дорогого и качественного оптоволоконного кабеля с меньшими потерями.

Контрольный перечень параметров, необходимых для разработки оптоволоконной системы передачи данных

В настоящее время в качестве оптических линий связи используют:

• а) оптические линии с использованием волоконно-оптического кабеля - волоконно-оптические линии связи (ВОЛС);
• б) оптические линии связи без использования волоконно-оптического кабеля.

Наилучшие показатели по скорости передачи данных, по помехозащищенности, по защищенности от несанкционированного доступа имеют волоконно-оптические линии связи.

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС)

Структурная схема волоконно-оптической линии связи приведена на рис. 7.11.

Рис. 7.11.

Электрический сигнал поступает на передатчик - трансивер, который преобразует электрический сигнал в световой импульс. Последний через оптический соединитель подается в оптический кабель. В месте приема оптический кабель с помощью оптического соединителя подключатся к приемнику - трансиверу, преобразующему пучок света в электрический сигнал.

В зависимости от назначения ВОЛС, ее протяженности, качества используемых комплектующих структурная схема может изменяться. При значительных расстояниях между пунктами передачи и приема вводится ретранслятор - усилитель сигналов. При малой длине оптического кабеля (если хватает строительной длины оптического кабеля) сварка кабеля не нужна. Под строительной длиной понимают длину цельного куска кабеля, поставляемого заводом-изготовигелем.

Волоконно-оптические линии связи имеют следующие достоинства:

• 1. Высокую помехозащищенность от внешних электромагнитных помех и от межканальных взаимонаводок.
• 2. Широкий диапазон рабочих частот позволяет по такой линии связи передавать информацию со скоростью 10 |2 бит/с = Тбит/с.
• 3. Защищенность от несанкционированного доступа: излучения в окружающее пространство ВОЛС почти не дает, а изготовление отводов оптической энергии без разрушения кабеля практически невозможно. А всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы с помощью мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии.
• 4. Возможность скрытой передачи информации.
• 5. Потенциально низкую стоимость, обусловленную заменой дорогостоящих цветных металлов (медь) материалами с неограниченными сырьевыми ресурсами (двуокись кремния).
• 6. Автоматически обеспечивается гальваническая развязка сегментов линии.

Однако в оптоволоконной технологии имеются и свои недостатки:

• 1. Высокая стоимость аппаратуры.
• 2. Требуется дорогое технологическое оборудование, как в процессе монтажа, так и в процессе эксплуатации. При обрыве оптического кабеля затраты на его восстановление значительно выше, чем на восстановление медного кабеля.
• 3. Оптические кабели нестойки к воздействию радиации.

Основу ВОЛС составляют оптические кабели, изготавливаемые из

отдельных световодов - оптических волокон.

Оптическое волокно представляет собой тонкую двухслойную нить, состоящую из сердечника и оболочки с различными показателями преломления. Для защиты волокна от атмосферных и механических воздействий поверх светоотражающей оболочки накладывается защитное покрытие. Конструкция оптического волокна с защитным покрытием представлена на рис.7.12.

Рис. 7.12.

Используются 3 типа оптических волокон: полимерные оптические волокна (POF = Plastic Optical Fiber), кварц-полимерные оптические волокна (PCF = Polymer Cladded Fiber), кварцевые оптические волокна (GOF = Glass Optical Fiber).

Полимерные оптические волокна изготавливаются из полимерных материалов, имеющих высокие оптические свойства. Волоконно- оптические кабели из полимерного оптического волокна характеризуются хорошей гибкостью (при диаметре волокна 1,5 мм допустимый радиус изгиба волокон равен 8 мм) и обеспечивают пропускную способность до 2,5 Гбит/с, что существенно выше, чем у витой пары (max 1 Гбит/с). Дальность передачи данных - до 80 м.

POF используется в настоящее время достаточно широко. Его используют для систем декоративного, архитектурного и ландшафтного освещения, для подсветки бассейнов, для безопасного освещения взрывоопасных помещений. Еще одной областью применения можно считать использование POF для изготовления систем визуальной индикации информационных панелей бытовой, автомобильной, промышленной и медицинской электроники. ПОВ применяют для создания высокоскоростных недорогих, свободных от электромагнитных помех линий передачи данных на небольшие расстояния (системы автоматизации технологических процессов, передача сигналов от видеокамер, оптических датчиков; локальные вычислительные сети). Например, ПОВ-кабели используются в промышленном стандарте PROFIBUS. На рис.7.13 приведен внешний вид такого кабеля с установленным соединителем.

Кварц-полимерные оптические волокна изготавливаются с кварцевым сердечником и полимерной светоотражающей оболочкой и предназначены для систем внутри- и межобъектовой связи. Дальность передачи данных до 400 м, радиус многократных изгибов кабеля - не менее

75 мм. PCF-кабсли поставляются заранее разделанными с установленными соединителями. Внешний вид одного из таких кабелей приведен на рис. 7.13.

Рис. 7.13.

Кварцевые оптические волокна изготавливаются из высокочистого кварцевого стекла (сердечник и светоотражающая оболочка) и применяются гам, где большие объемы данных необходимо передавать на высоких скоростях и на большие расстояния - до нескольких километров (систем дальней, внутри- и межобъектовой связи: локальных компьютерных сетях LAN (Local Area Networks), сетях MAN (Metropolitan Area Networks), сетях WAN (Wide Area Networks)).

Передача оптической энергии по оптическому волокну обеспечивается с помощью эффекта полного внутреннего отражения. Кварцевое оптическое волокно представляет собой двухслойный цилиндрический световод (рис. 7.14).

Рис. 7.

в оптоволокне

Материал внутренней жилы имеет показатель преломления п и а материал внешнего слоя - п 2 , при этом п > п 2 , т. е. материал внутренней жилы оптически более плотный, чем материал оболочки. Для излучения, входящего в цилиндр под малыми углами по отношению к оси цилиндра, выполняется условие полного внутреннего отражения: при падении излучения на границу с оболочкой вся энергия излучения отражается внутрь жилы световода. То же самое происходит и при всех последующих отражениях; в результате излучение распространяется вдоль оси световода, не выходя через оболочку. Максимальный угол отклонения от оси, при котором еще имеется полное внутреннее отражение, определяется выражением

Величина А 0 называется числовой апертурой световода и учитывается при согласовании световода с излучателем. Излучение, падающее на торец под углами у >уо (внеапертурные лучи), при взаимодействии с оболочкой не только отражается, но и преломляется; часть оптической энергии уходит из световода. В конечном итоге после многократных встреч с границей жила-оболочка такое излучение полностью рассеивается из световода.

Оптоволокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: дисперсией и затуханием.

Дисперсия, т. е. зависимость скорости распространения сигнала от длины волны излучения, - важнейший параметр оптического волокна. Поскольку при передаче информации светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространении по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке дисперсии пользуются термином «полоса пропускания» - величина, обратная величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в мегагерцах на километр (МГц км). Дисперсия накладывает ограничения на дальность передачи и верхнее значение частоты передаваемых сигналов.

Затухание определяется потерями на поглощение и рассеяние излучения в оптоволокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, а потери на рассеяние - от неоднородности его показателей преломления. Зависит затухание и от длины волны излучения, вводимого в оптоволокно.

Количественно затухание определяется по формуле

где Р вх - мощность входного оптического сигнала; Р еих - мощность выходного оптического сигнала; / - длина световода.

Единицей измерении затухания служит децибелл на километр (дБ/км).

Величины затухания и дисперсии различаются для разных типов кварцевых оптических волокон.

В зависимости от диаметра и профиля показателя преломления в направлении от центра к периферии в поперечном сечении световода они делятся на многомодовые со ступенчатым профилем показателя преломления, одномодовые волокна, многомодовые волокна с градиентным изменением показателя преломления. На рис. 7.15 приведены пути распространения света в различных типах оптоволокна.

Рис. 7.15.

Волокно на (рис.7.15, а) называется волокном со ступенчатым профилем показателя преломления и многомодовым, поскольку для распространения луча света существует много возможных путей, или мод. Это множество мод приводит к дисперсии (уширению) импульса, поскольку каждая мода проходит в волокне различный путь, а поэтому разные моды имеют разную задержку передачи, проходя от одного конца волокна до другого. Результат этого явления - ограничение максимальной частоты, которую можно эффективно передавать при данной длине волокна. Увеличение или частоты, или длины волокна сверх предельных значений, по существу, приводит к слиянию следующих друг за другом импульсов, из-за чего их становится невозможно различить. Для типового многомодового волокна этот предел равен примерно 15 МГц км. Это означает, что видеосигнал с полосой, например, 5 МГц может быть передан на максимальное расстояние в 3 км (5 МГц? 3 км = 15 МГц км). Попытка передать сигнал набольшее расстояние приведет к прогрессирующей потере высоких частот. В многомодовом волокне диаметр световой жилы составляет 50; 62,5; 85; 140 мкм.

Одномодовые волокна (рис.7.15, Ь) весьма эффективно снижают дисперсию, и результирующая полоса - во много ГГц км - делает их идеальными для протяженных линий связи. По одномодовым световодам в идеальном случае распространяется только одна волна. Они обладают значительно меньшим коэффициентом затухания (в зависимости от длины волны в 2...4 и даже в 7... 10 раз) по сравнению с многомодовыми и наибольшей пропускной способностью, т. к. в них почти не искажается сигнал. Но для этого диаметр сердцевины световода должен быть соизмерим с длиной волны. Практически диаметр равен 8... 10 мкм. К сожалению, волокно столь малого диаметра требует применения мощного, прецизионно совмещенного, а поэтому сравнительно дорогостоящего излучателя на лазерном диоде, что снижает их привлекательность для многих применений.

В идеале требуется волокно с полосой пропускания того же порядка, что и одномодового волокна, но с диаметром, как у многомодового, чтобы было возможно применение недорогих передатчиков на светодиодах. До некоторой степени этим требованиям удовлетворяет многомодовое волокно с градиентным изменением показателя преломления (рис. 7.15, с). Оно напоминает многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления, о котором говорилось выше, но показатель преломления его сердцевины неоднороден - он плавно изменяется от максимального значения в центре до меньших значений на периферии. Это приводит к двум следствиям. Первое - свет распространяется по слегка изгибающемуся пути, и второе, и более важное, различия в задержке распространения разных мод минимальны. Это связано с тем, что высокие моды, входящие в волокно под большим углом и проходящие больший путь, на самом деле начинают распространяться с большей скоростью по мерс того, как они удаляются от центра в зону, где показатель преломления снижается, и в основном движутся быстрее, чем моды низших порядков, остающиеся вблизи оси волокна, в области высокого показателя преломления. Увеличение скорости как раз компенсирует больший проходимый путь.

Градиентные многомодовые световоды предпочтительнее, т. к. в них, во-первых, распространяется меньше мод и, во-вторых, меньше различаются их углы падения и отражения, а следовательно, благоприятнее условия передачи.

Хотя многомодовые волокна с градиентным показателем преломления не являются идеальными, но тем не менее они демонстрируют весьма неплохие значения полосы. Поэтому в большинстве систем малой и средней протяженности выбор такого типа волокон оказывается предпочтительным.

Оптический сигнал затухает во всех волокнах со скоростью, зависящей от длины волны передатчика источника света. Существует три длины волны, на которых затухание оптического волокна обычно минимально, - 850, 1310 и 1550 нм. Они известны как окна прозрачности. Для многомодовых систем окно на длине волны в 850 нм - первое и наиболее часто используемое (наименьшая цена оптоволоконной линии связи). На этой длине волны градиентное многомодовое волокно хорошего качества показывает затухание порядка 3 дБ/км, что делает возможной реализацию связи на расстояниях свыше 3 км.

На длине волны 1310 нм то же самое волокно показывает еще меньшее затухание - 0,7 дБ/км, позволяя тем самым пропорционально увеличить дальность связи примерно до 12 км; 1310 нм - это также первое рабочее окно для одномодовых оптоволоконных систем, затухание при этом составляет около 0,4 дБ/км, что в сочетании с передатчиками на лазерных диодах позволяет создавать линии связи длиной свыше 50 км. Второе окно прозрачности - 1550 нм - используется для создания еще более длинных линий связи (затухание волокна - менее 0,24 дБ/км).

Значения затухания в различных окнах прозрачности в многомодовых и одномодовых световодах приведены в табл. 7.3.

Таблица 7.3

Значения затухания в многомодовых и одномодовых световодах

Для связи приемника и передатчика используется волоконно- оптический кабель (ВОК), в котором оптические волокна дополняются элементами, повышающими эластичность и прочность кабеля, защиту кабеля от внешних факторов. Различают кабели для внутренней прокладки, кабель для использования вне помещений (кабели, которые могут закапываться в грунт; кабели, которые прокладываются в специальных канализациях; кабели, которые подвешиваются на открытом пространстве), кабели для подводных протяженных линий связи.

Почти вес европейские производители наносят на оптоволоконный кабель маркировку, соответствующую системе стандарта DIN VDE 0888. По этому стандарту каждому типу кабеля ставится в соответствие последовательность букв и цифр, в которых заключены все характеристики волоконно-оптических кабелей. Отечественные производители используют свою классификацию и свою систему обозначений.

Временный выход из строя оптического кабеля или отсутствие возможности прокладки кабеля, необходимость высокой защищенности от электромагнитных помех и перехвата привело к созданию беска- бельных оптических линий связи с различной дальностью связи.

Оптические линии связи без использования волоконно-оптического кабеля разделяют на оптические линии с большой дальностью связи и локальные беспроводные оптические линии.

Идеология бескабельной оптики основана на том, что оптический канал заменяет кабель.

Состоит оптоволокно из центрального проводника света (сердцевины) - стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла – оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В оптоволокне световой луч обычно формируется полупроводниковым или диодным лазером. В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника оптоволокно подразделяется на одномодовое и многомодовое.

Рынок оптоволоконной продукции в России

История

Волоконная оптика хоть и является повсеместно используемым и популярным средством обеспечения связи, сама технология проста и разработана достаточно давно. Эксперимент с переменой направления светового пучка путем преломления был продемонстрирован Даниелем Колладоном (Daniel Colladon) и Жаком Бабинеттом (Jacques Babinet) еще в 1840 году. Спустя несколько лет Джон Тиндалл (John Tyndall) использовал этот эксперимент на своих публичных лекциях в Лондоне, и уже в 1870 году выпустил труд, посвященный природе света. Практическое применение технологии нашлось лишь в ХХ веке. В 20-х годах прошлого столетия экспериментаторами Кларенсом Хаснеллом (Clarence Hasnell) и Джоном Бердом (John Berd) была продемонстрирована возможность передачи изображения через оптические трубки. Этот принцип использовался Генрихом Ламмом (Heinrich Lamm) для медицинского обследования пациентов. Только в 1952 году индийский физик Нариндер Сингх Капани (Narinder Singh Kapany) провел серию собственных экспериментов, которые и привели к изобретению оптоволокна. Фактически им был создан тот самый жгут из стеклянных нитей, причем оболочка и сердцевина были сделаны из волокон с разными показателями преломления. Оболочка фактически служила зеркалом, а сердцевина была более прозрачной – так удалось решить проблему быстрого рассеивания. Если ранее луч не доходил да конца оптической нити, и невозможно было использовать такое средство передачи на длительных расстояниях, то теперь проблема была решена. Нариндер Капани к 1956 году усовершенствовал технологию. Связка гибких стеклянных прутов передавала изображение практически без потерь и искажений.

Изобретение в 1970 году специалистами компании Corning оптоволокна, позволившего без ретрансляторов продублировать на то же расстояние систему передачи данных телефонного сигнала по медному проводу, принято считать переломным моментом в истории развития оптоволоконных технологий. Разработчикам удалось создать проводник, который способен сохранять не менее одного процента мощности оптического сигнала на расстоянии одного километра. По нынешним меркам это достаточно скромное достижение, а тогда, без малого 40 лет назад, - необходимое условие для того, чтобы развивать новый вид проводной связи.

Первоначально оптоволокно было многофазным, то есть могло передавать сразу сотни световых фаз. Причём повышенный диаметр сердцевины волокна позволял использовать недорогие оптические передатчики и коннекторы. Значительно позже стали применять волокно большей производительности, по которому можно было транслировать в оптической среде лишь одну фазу. С внедрением однофазного волокна целостность сигнала могла сохраняться на большем расстоянии, что способствовало передаче немалых объёмов информации.

Самым востребованным сегодня является однофазное волокно с нулевым смещением длины волны. Начиная с 1983 года оно занимает ведущее положение среди продуктов оптоволоконной индустрии, доказав свою работоспособность на десятках миллионов километров.

Преимущества оптоволоконного типа связи

• Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей. Это означает, что по оптоволоконной линии можно передавать информацию со скоростью порядка 1 Тбит/с;
• Очень малое затухание светового сигнала в волокне, что позволяет строить волоконно-оптические линии связи длиной до 100 км и более без регенерации сигналов;
• Устойчивость к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем, электрического оборудования (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.) и погодных условий;
• Защита от несанкционированного доступа. Информацию, передающуюся по волоконно-оптическим линиям связи, практически нельзя перехватить неразрушающим кабель способом;
• Электробезопасность. Являясь, по сути, диэлектриком, оптическое волокно повышает взрыво- и пожаробезопасность сети, что особенно актуально на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска;
• Долговечность ВОЛС - срок службы волоконно-оптических линий связи составляет не менее 25 лет.

Недостатки оптоволоконного типа связи

• Относительно высокая стоимость активных элементов линии, преобразующих электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы;
• Относительно высокая стоимость сварки оптического волокна. Для этого требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование. Как следствие, при обрыве оптического кабеля затраты на восстановление ВОЛС выше, чем при работе с медными кабелями.

Элементы волоконно-оптической линии

• Оптический приёмник

Оптические приёмники обнаруживают сигналы, передаваемые по волоконно-оптическому кабелю и преобразовывают его в электрические сигналы, которые затем усиливают и далее восстанавливают их форму, а также синхросигналы. В зависимости от скорости передачи и системной специфики устройства, поток данных может быть преобразован из последовательного вида в параллельный.

• Оптический передатчик

Оптический передатчик в волоконно-оптической системе преобразовывает электрическую последовательность данных, поставляемых компонентами системы, в оптический поток данных. Передатчик состоит из параллельно-последовательного преобразователя с синтезатором синхроимпульсов (который зависит от системной установки и скорости передачи информации в битах), драйвера и источника оптического сигнала. Для оптических систем передачи могут быть использованы различные оптические источники. Например, светоизлучающие диоды часто используются в дешёвых локальных сетях для связи на малое расстояние. Однако, широкая спектральная полоса пропускания и невозможность работы в длинах волны второй и третьей оптических окон, не позволяет использовать светодиод в системах телесвязи.

• Предусилитель

Усилитель преобразовывает асимметричный ток от фотодиодного датчика в асимметричное напряжение, которое усиливается и преобразуется в дифференциальный сигнал.

• Микросхема cинхронизации и восстановления данных

Эта микросхема должна восстанавливать синхросигналы от полученного потока данных и их тактирование. Схема фазовой автоподстройки частоты, необходимая для восстановления синхроимпульсов, также полностью интегрирована в микросхему синхронизации и не требует внешних контрольных синхроимпульсов.

• Блок преобразования последовательного кода в параллельный

• Параллельно-последовательный преобразователь

• Лазерный формирователь

Основной его задачей является подача тока смещения и модулирующего тока для прямого модулирования лазерного диода.

• Оптический кабель , состоящий из оптических волокон, находящихся под общей защитной оболочкой.

Одномодовое волокно

При достаточно малом диаметре волокна и соответствующей длине волны через световод будет распространяться единственный луч. Вообще сам факт подбора диаметра сердечника под одномодовый режим распространения сигнала говорит о частности каждого отдельного варианта конструкции световода. То есть под одномодовостью следует понимать характеристики волокна относительно конкретной частоты используемой волны. Распространение лишь одного луча позволяет избавиться от межмодовой дисперсии, в связи с чем одномодовые световоды на порядки производительнее. На данный момент применяется сердечник с внешним диаметром около 8 мкм. Как и в случае с многомодовыми световодами, используется и ступенчатая, и градиентная плотность распределения материала.

Второй вариант более производительный. Одномодовая технология более тонкая, дорогая и применяется в настоящее время в телекоммуникациях. Оптическое волокно используется в волоконно-оптических линиях связи, которые превосходят электронные средства связи тем, что позволяют без потерь с высокой скоростью транслировать цифровые данные на огромные расстояния. Оптоволоконные линии могут как образовывать новую сеть, так и служить для объединения уже существующих сетей - участков магистралей оптических волокон, объединенных физически на уровне световода, либо логически - на уровне протоколов передачи данных. Скорость передачи данных по ВОЛС может измеряться сотнями гигабит в секунду. Уже сейчас дорабатывается стандарт, позволяющий передавать данные со скоростью 100 Гбит/c, а стандарт 10 Гбит Ethernet используется в современных телекоммуникационных структурах уже несколько лет.

Многомодовое волокно

В многомодовом ОВ может распространяться одновременно большое число мод – лучей, введенных в световод под разными углами. Многомодовое ОВ обладает относительно большим диаметром сердцевины (стандартные значения 50 и 62,5 мкм) и, соответственно, большой числовой апертурой. Больший диаметр сердцевины многомодового волокна упрощает ввод оптического излучения в волокно, а более мягкие требования к допустимым отклонениям для многомодового волокна позволяют уменьшить стоимость оптических приемо-передатчиков. Таким образом, многомодовое волокно преобладает в локальных и домашних сетях небольшой протяженности.

Основным недостатком многомодового ОВ является наличие межмодовой дисперсии, возникающей из-за того, что разные моды проделывают в волокне разный оптический путь. Для уменьшения влияния этого явления было разработано многомодовое волокно с градиентным показателем преломления, благодаря чему моды в волокне распространяются по параболическим траекториям, и разность их оптических путей, а, следовательно, и межмодовая дисперсия существенно меньше. Однако насколько не были бы сбалансированы градиентные многомодовые волокна, их пропускная способность не сравнится с одномодовыми технологиями.

Волоконно-оптические приёмопередатчики

Чтобы передать данные через оптические каналы, сигналы должны быть преобразованы из электрического вида в оптический, переданы по линии связи и затем в приёмнике преобразованы обратно в электрический вид. Эти преобразования происходят в устройстве приёмопередатчика, который содержит электронные блоки наряду с оптическими компонентами.

Широко используемый в технике передач мультиплексор с разделением времени позволяет увеличить скорость передачи до 10 Гб/сек. Современные быстродействующие волоконно-оптические системы предлагают следующие стандарты скорости передач.

Новые методы мультиплексного разделения длины волны или спектральное уплотнение дают возможность увеличить плотность передачи данных. Для этого многочисленные мультиплексные потоки информации посылаются по одному оптоволоконному каналу с использованием передачи каждого потока на разных длинах волны. Электронные компоненты в WDM-приемнике и передатчике отличаются по сравнению с теми, которые используются в системе с временным разделением.

Применение линий оптоволоконной связи

Оптоволокно активно применяется для построения городских, региональных и федеральных сетей связи, а также для устройства соединительных линий между городскими АТС. Это связано с быстротой, надёжностью и высокой пропускной способностью волоконных сетей. Также посредством применения оптоволоконных каналов существуют кабельное телевидение, удалённое видеонаблюдение, видеоконференции и видеотрансляции, телеметрические и другие информационные системы. В перспективе в оптоволоконных сетях предполагается использовать преобразование речевых сигналов в оптические.

Волоконно-оптические линии связи

Волоко́нно-опти́ческие ли́нии свя́зи

(ВОЛС), линии оптической связи, в которых передача информации осуществляется с помощью волоконно-оптических элементов. ВОЛС состоит из передающего и приёмного оптических модулей, волоконно-оптических кабелей и волоконно-оптических соединителей. Оптическое волокно – самая совершенная среда для передачи больших потоков информации на большие расстояния. Оно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, – широко распространённого и недорогого материала, в отличие от меди, используемой в обычных проводах. Оптическое волокно очень компактное и лёгкое, его диаметр всего ок. 100 мкм. Волоконные световоды представляют собой волоконно-оптические жгуты, склеенные или спечённые у концов, защищённые непрозрачной оболочкой и имеющие торцы с полированной поверхностью. Стеклянное волокно – диэлектрик, поэтому при строительстве волоконно-оптических систем связи отдельные оптические волокна не нуждаются в изоляции друг от друга. Долговечность оптического волокна – до 25 .

При создании волоконно-оптических линий связи необходимы высоконадёжные электронные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы, а также оптические соединители с малыми оптическими потерями. Поэтому для монтажа таких линий требуется дорогостоящее оборудование. Однако преимущества от применения волоконно-оптических линий связи настолько велики, что, несмотря на перечисленные недостатки оптических волокон, эти линии связи всё шире используются для передачи информации. Скорость передачи данных может быть увеличена за счёт передачи информации сразу в двух направлениях, т. к. световые волны могут распространяться в одном оптическом волокне независимо друг от друга. Это даёт возможность удвоить пропускную способность оптического канала связи.

Волоконно-оптические линии связи устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам защищена от несанкционированного доступа. К таким линиям связи невозможно подключиться без нарушения целостности линии. Впервые передача сигналов по оптическому волокну была осуществлена в 1975 г. Ныне быстрыми темпами развиваются системы дальней оптической связи на расстояния в многие тысячи километров. Успешно эксплуатируются трансатлантические линии связи США – Европа, Тихоокеанская линия США – Гавайские острова – Япония. Ведутся работы по завершению строительства глобальной волоконно-оптической линии связи Япония – Сингапур – Индия – Саудовская Аравия – Египет – Италия. В России компания ТрансТелеКом создала волоконно-оптическую сеть связи протяжённостью более 36 000 км. Она дублирована спутниковыми каналами связи. В кон. 2001 г. создана единая магистральная цифровая сеть связи. Она обеспечивает услуги междугородной и международной телефонной связи, Интернета, кабельного телевидения в 56 из 89 регионов России, где проживает 85–90 % населения.

Энциклопедия «Техника». - М.: Росмэн . 2006 .

Смотреть что такое "волоконно-оптические линии связи" в других словарях:

Волоконно оптическая линия связи (ВОЛС) представляет собой волоконно оптическую систему, состоящую из пассивных и активных элементов, предназначенных для передачи оптического сигнала по оптоволоконному кабелю. Содержание 1 Элементы ВОЛС 2 Монтаж… … Википедия

волоконно-оптическая система связи - — [Е.С.Алексеев, А.А.Мячев. Англо русский толковый словарь по системотехнике ЭВМ. Москва 1993] волоконно оптическая коммуникационная система Передача модулированной или немодулированной оптической энергии по волоконно оптической среде,… …

РД 45.047-99: Линии передачи волоконно-оптические на магистральной и внутризоновых первичных сетях ВСС России. Техническая эксплуатация. Руководящий технический материал - Терминология РД 45.047 99: Линии передачи волоконно оптические на магистральной и внутризоновых первичных сетях ВСС России. Техническая эксплуатация. Руководящий технический материал: 3.1.18 «АВАРИЯ» параметры качества вышли за пределы… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

волоконно-оптический кабель - Кабель, содержащий одно или несколько оптических волокон и предназначенный для передачи данных. волоконно оптический кабель [Лугинский Я. Н. и др. Англо русский словарь по электротехнике и… … Справочник технического переводчика

волоконно-оптический адаптер - Пассивное устройство, используемое для подключения оптических вилок и соединения оптических волокон. [СН РК 3.02 17 2011] волоконно оптический адаптер Компонент коммутационного оборудования, предназначенный для позиционирования и соединения двух… … Справочник технического переводчика

волоконно-оптическая линия - Совокупность волоконно оптических сегментов и репитеров, которые в соединении образуют передающий путь. [Источник] Тематики оптические линии связи EN fiber optic link … Справочник технического переводчика

волоконно-оптический аттенюатор - Компонент, установленный в волоконно оптической передающей системе с целью уменьшения мощности оптического сигнала. Часто используется для ограничения оптической мощности, полученной фотодетектером, до пределов чувствительности оптического… … Справочник технического переводчика

- (ВОЛП), Волоконно оптическая линия связи (ВОЛС) волоконно оптическая система, состоящая из пассивных и активных элементов, предназначенная для передачи информации в оптическом (как правило ближнем инфракрасном) диапазоне. Содержание 1 … Википедия

Проверить информацию. Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье. На странице обсуждения должны быть пояснения … Википедия

Техника передачи информации из одного места в другое в виде электрических сигналов, посылаемых по проводам, кабелю, оптоволоконным линиям или вообще без направляющих линий. Направленная передача по проводам обычно осуществляется из одной… … Энциклопедия Кольера

Книги

• Волоконно-оптические линии связи и их защита от внешних влияний , Соколов С.. Даны основные сведения о физических основах, строении и применении оптических волокон, принципах и технологии передачи оптических сигналов, строительстве и эксплуатации волоконно-оптических…

Волоконно-оптическими называют линии, предназначенные для передачи информации в оптическом диапазоне. Согласно данным советского Информбюро, на конец 80-х темп роста применения волоконно-оптических линий составил 40%. Эксперты Союза предполагали полный отказ некоторых стран от медной жилы. Съезд постановил на 12-ю пятилетку 25% прирост объёма линий связи. Тринадцатая, также призванная развивать волоконную оптику, застала развал СССР, появились первые сотовые операторы. Кстати, прогноз экспертов относительно роста потребности в квалифицированных кадрах провалился…

Принцип действия

Каковы причины резкого роста популярности высокочастотных сигналов? Современные учебники упоминают снижение потребности в регенерации сигнала, стоимости, повышение ёмкости каналов. Советские инженеры вызнали, рассуждая иначе: медный кабель, броня, экран берут 50% мирового производства меди, 25% – свинца. Недостаточно известный факт стал главной причины оставления спонсорами Николы Теслы, проекта башни Ворденклифф (название дала фамилия мецената, пожертвовавшего землю). Известный сербский учёный возжелал передавать информацию, энергию беспроводным путём, напугав немало локальных хозяев медеплавильных заводов. 80 лет спустя картина изменилась кардинально: люди осознали необходимость сбережения цветных металлов.

Материалом изготовления волокна служит… стекло. Обычный силикат, сдобренный изрядной долей модифицирующих свойства полимеров. Советские учебники, помимо указанных причин популярности новой технологии, называют:

1. Малое затухание сигналов, явившееся причиной снижения потребности в регенерации.
2. Отсутствие искрения, следовательно, пожаробезопасность, нулевая взрывоопасность.
3. Невозможность короткого замыкания, пониженная потребность в обслуживании.
4. Нечувствительность к электромагнитным помехам.
5. Низкий вес, сравнительно малые габариты.

Первоначально оптоволоконные линии должны были объединить крупные магистрали: меж городами, пригородами, АТС. Эксперты СССР назвали кабельную революцию сродни появлению твердотельной электроники. Развитие технологии позволило построить сети, лишённые токов утечки, перекрёстных помех. Участок длиной сотню км лишён активных методов регенерации сигнала. Бухта одномодового кабеля обычно составляет 12 км, многомодового – 4 км. Последнюю милю чаще покрывают медью. Провайдеры привыкли предназначать оконечные участки индивидуальным пользователям. Отсутствуют высокие скорости, приёмопередатчики дёшевы, возможность подвести одновременно питание устройству, простота использования линейных режимов.

Передатчик

Типичным формирователем луча выступают полупроводниковые светодиоды, включая твердотельные лазеры. Ширина спектра сигнала, излучаемого типичным p-n-переходом, составляет 30-60 нм. КПД первых твердотельных устройств едва достигал 1%. Основой связных светодиодов чаще выступает структура индий-галлий-мышьяк-фосфор. Излучая более низкую частоту (1,3 мкм), приборы обеспечивают значительное рассеивание спектра. Результирующая дисперсия сильно ограничивает битрейт (10-100 Мбит/с). Поэтому светодиоды пригодны для построения локальных сетевых ресурсов (дистанция 2-3 км).

Частотное деление с мультиплексированием осуществляется многочастотными диодами. Сегодня несовершенные полупроводниковые структуры активно вытесняются вертикальными излучающими лазерами, значительно улучшающими спектральные характеристики. повышающими скорость. Цена одного порядка. Технология вынужденного излучения приносит гораздо более высокие мощности (сотни мВт). Когерентное излучение обеспечивает КПД одномодовых линий 50%. Эффект хроматической дисперсии снижается, позволяя повысить битрейт.

Малое время рекомбинации зарядов позволяет легко модулировать излучение высокими частотами питающего тока. Помимо вертикальных применяют:

1. Лазеры с обратной связью.
2. Резонаторы Фабри-Перо.

Высокие битрейты дальних линий связи достигаются применением внешних модуляторов: электро-абсорбционные, интерферометры Маха – Цендера. Внешние системы устраняют необходимость применения линейной частотной модуляции напряжением питания. Обрезанный спектр дискретного сигнала передаётся дальше. Дополнительно разработаны другие методики кодирования несущей:

• Квадратурная фазовая манипуляция.
• Ортогональное мультиплексирование с частотным разделением.
• Амплитудная квадратурная модуляция.

Процедуру осуществляют цифровые сигнальные процессоры. Старые методики компенсировали лишь линейную составляющую. Беренджер выразил модулятор рядами Вина, ЦАП и усилитель смоделировал усечёнными, времянезависимыми рядами Вольтерры. Кхана предлагает использовать полиномиальную модель передатчика вдобавок. Каждый раз коэффициенты рядов находят, используя архитектуру непрямого изучения. Дутель записал множество распространённых вариантов. Фазная перекрёстная корреляция и квадратурные поля имитируют несовершенство систем синхронизации. Аналогично компенсируются нелинейные эффекты.

Приёмники

Фотодетектор совершает обратное преобразование свет – электричество. Львиная доля твёрдотельных приёмников использует структуру индий-галлий-мышьяк. Иногда встречаются pin-фотодиоды, лавинные. Структуры металл-полупроводник-металл идеально подходят для встраивания регенераторов, коротковолновых мультиплексоров. Оптикоэлектрические конвертеры часто дополняют трансимпедансными усилителями, ограничителями, производящими цифровой сигнал. Затем практикуют восстановление синхроимпульсов с фазовой автоподстройкой частоты.

Передача света стеклом: история

Явление рефракции, делающее возможной тропосферную связь, нелюбимо учениками. Сложные формулы, неинтересные примеры убивают любовь студента к знаниям. Идею световода родили далёкие 1840-е годы: Дэниэл Колладон, Жак Бабинэ (Париж) пытались приукрасить собственные лекции заманчивыми, наглядными экспериментами. Преподаватели средневековой Европы плохо зарабатывали, поэтому изрядный приток студентов, несущих деньги, выглядел желанной перспективой. Лекторы заманивали публику любыми способами. Некий Джон Тиндал воспользовался идеей 12 лет спустя, гораздо позже выпустив книгу (1870), рассматривающую законы оптики:

• Свет проходит границу раздела воздух-вода, наблюдается рефракция луча относительно перпендикуляра. Если угол касания луча к ортогональной линии превышает 48 градусов, фотоны перестают покидать жидкость. Энергия полностью отражается назад. Предел назовём лимитирующим углом среды. Водный равен 48 градусов 27 минут, у силикатного стекла – 38 градусов 41 минута, алмаза – 23 градуса 42 минуты.

Зарождение XIX столетия принесло линии Петербург – Варшава световой телеграф протяжённостью 1200 км. Регенерация операторами послания проводилась каждые 40 км. Сообщение шло несколько часов, мешали погода, видимость. Появление радиосвязи вытеснило старые методики. Первые оптические линии датированы концом XIX века. Новинка понравилась… медикам! Гнутое стеклянное волокно позволяло освещать любые полости человеческого тела. Историки предлагают следующую временную шкалу развития событий:

Идею Генри Сэнт-Рене продолжили поселенцы Нового света (1920-е), задумавшие улучшить телевидение. Кларенс Ханселл, Джон Логи Бэйрд стали пионерами. Десять лет спустя (1930) студент-медик Хайнрих Ламм доказал возможность передачи стеклянными направляющими изображения. Ищущий знаний задумал осмотреть внутренности тела. Качество изображения хромало, попытка получить Британский патент провалилась.

Рождение волокна

Независимо голландский учёный Абрахам ван Хил, британец Харольд Хопкинс, Нариндер Сингх Капани изобрели (1954) волокно. Заслуга первого в идее покрыть центральную жилу прозрачной оболочкой, имевшей низкий коэффициент преломления (близкий к воздуху). Защита от царапин поверхности сильно улучшила качество передачи (современники изобретателей видели главное препятствие использования волоконных линий в больших потерях). Британцы тоже внесли серьёзный вклад, собрав пучок волокон численностью 10.000 штук, передали изображение на дистанцию 75 см. Заметка «Гибкий фиброскоп, использующий статическое сканирование» украсила журнал Nature (1954).

Это интересно! Нариндер Сингх Капани ввёл термин фиброволокно заметкой в журнале Американская наука (1960).

1956 год принёс миру новый гибкий гастроскоп, авторы Базиль Хиршовиц, Вильбур Петерс, Лоуренс Кертисс (Университет Мичиган). Особенностью новики являлась стеклянная оболочка волокон. Элиас Снитцер (1961) обнародовал идею создания одномодового волокна. Столь тонкого, что внутри умещалось лишь одно пятнышко интерференционной картины. Идея помогла медикам осмотреть внутренности (живого) человека. Потери составили 1 дБ/м. Потребности коммуникаций простирались гораздо дальше. Требовалось достичь порога 10-20 дБ/км.

1964 год считают переломным: жизненно важную спецификацию опубликовал доктор Као, введя теоретические основы дальней связи. Документ активно использовал приведённую выше цифру. Учёный доказал: снизить потери поможет стекло высшей степени очистки. Германский физик (1965) Манфред Бёрнер (Телефункен Ресёрч Лабс, Ульм) представил первую работоспособную телекоммуникационную линию. NASA немедленно передало вниз лунные снимки, используя новинки (разработки были секретными). Несколько лет спустя (1970) трое работников Корнинг Глэс (см. начало топика) подали патент, реализующий технологический цикл выплавки оксида кремния. Три года бюро оценивало текст. Новая жила увеличила пропускную способность канала в 65000 раз относительно медного кабеля. Команда доктора Као немедля сделала попытку покрыть значительное расстояние.

Это интересно! 45 лет спустя (2009) Као вручили Нобелевскую премию по физике.

Военные компьютеры (1975) противовоздушной обороны США (секция NORAD, Шайенские горы) получили новые коммуникации. Оптический интернет появился очень давно, раньше персональных компьютеров! Двумя годами позже тестовые испытания телефонной линии длиной 1,5 мили (пригород Чикаго) успешно передали 672 голосовых канала. Стеклодувы трудились неустанно: начало 80-х привнесло появление волокна с затуханием 4 дБ/км. Оксид кремния заменили другим полупроводником – германием.

Скорость производства высококачественного кабеля технологической линией составила 2 м/с. Хими Томас Менса разработал технологию, повысившую двадцатикратно указанный лимит. Новинка, наконец, стала дешевле медного кабеля. Дальнейшее изложено выше: последовал всплеск внедрения новой технологии. Шаг расстановки репитеров составил 70-150 км. Волоконный усилитель, легированный ионами Эрбия, резко снизил стоимость возведения линий. Времена тринадцатой пятилетки принесли планете 25 миллионов километров волоконно-оптических сетей.

Новый толчок развитию дало изобретение фотонных кристаллов. Первые коммерческие модели принёс 2000 год. Периодичность структур позволила значительно повысить мощность, конструкция волокна гибко подстраивалась, следуя частоте. В 2012 году Телеграфная и телефонная компания Ниппона достигла скорости 1 петабит/с на дальности 50 км одним-единственным волокном.

Военная промышленность

Достоверно известна история шествия военной промышленности США, опубликованной в Монмаут Месседж. В 1958 году менеджер по кабельному хозяйству форта Монмаут (Сигнал Корпс Лабс армии Соединённых Штатов) рапортовал о вреде молний, осадков. Чиновник потревожил исследователя Сэма Ди Вита, попросив найти замену зеленеющей меди. Ответ содержал предложение попробовать стекло, фибер, световые сигналы. Однако инженеры дяди Сэма того времени оказались бессильны решить задачку.

Жарким сентябрём 1959 Ди Вита спросил лейтенанта второго ранга Ричарда Штурцебехера, известна ли тому формула стекла, способного передавать оптический сигнал. Ответ содержал сведения, касающиеся оксида кремния – пробы на базе Университета Альфреда. Измеряя коэффициент рефракции материалов микроскопом, Ричард нажил головную боль. 60-70% стеклянная пудра свободно пропускала лучезарный свет, раздражая глаза. Держа в уме необходимость получения чистейшего стекла, Штурцебехер изучал современные методики производства при помощи хлорида кремния IV. Ди Вита нашёл материал пригодным, решив предоставить правительству переговоры со стеклодувами компании Корнинг.

Чиновник отлично знал рабочих, однако решил предать дело огласке, дабы завод получил государственный контракт. Между 1961 и 1962 идея использования чистого оксида кремния была передана исследовательским лабораториям. Федеральные ассигнования составили порядка 1 млн. долларов (промежуток 1963-1970). Программа окончилась (1985) развитием многомиллиардной индустрии производства оптоволоконных кабелей, начавших стремительно замещать медные. Ди Вита остался работать, консультируя промышленность, прожив 97 лет (год смерти – 2010).

Разновидности кабелей

Кабель формируют:

1. Ядро.
2. Оболочка.
3. Защитный кожух.

Волокно реализует полное отражение сигнала. Материалом первых двух компонентов традиционно выступает стекло. Иногда находят дешёвую замену – полимер. Оптические кабели объединяют сплавлением. Выравнивание ядра потребует сноровки. Мультимодовый кабель толщиной свыше 50 мкм паять проще. Две глобальные разновидности различаются количеством мод:

• Мультимодовый снабжён толстым ядром (свыше 50 мкм).
• Одномодовый значительно тоньше (менее 10 мкм).

Парадокс: кабель меньших размеров обеспечивает дальнюю связь. Стоимость четырёхжильного трансатлантического составляет 300 млн. долларов. Сердцевину покрывают светоустойчивым полимером. Журнал Новый учёный (2013) обнародовал опыты научной группы Университета Саутгемптона, покрывших дальность 310 метров… волноводом! Пассивный диэлектрический элемент показал скорость 77,3 Тбит/с. Стены полой трубки образованы фотонным кристаллом. Информационный поток двигался со скорость 99,7% световой.

Фотонно-кристаллический фибер

Новая разновидность кабелей образована набором трубок, конфигурация напоминает скруглённые пчелиные соты. Фотонные кристаллы, напоминают природный перламутр, образуя периодические конформации, отличающиеся коэффициентом преломления. Некоторые длины волн внутри таких трубок затухают. Кабель демонстрирует полосу пропускания, луч претерпевая брэгговскую рефракцию отражается. Благодаря наличию запрещённых зон когерентный сигнал двигается вдоль световода.

Первая конструкция Йе и Йарива (1978) представлена двумя и более концентрическими слоями разных материалов. Конструкции постоянно дополняются свежими видами. Рассел (1996, автор термина фотонно-кристаллический фибер) представил сотовый набор волокон, двумя годами позже догадались сердцевину заменить пустотой. Достигнутые затухания впечатляют:

1. Полые – 1,2 дБ/км.
2. Сплошные – 0,37 дБ/км.

Технология производства сродни традиционной. Сравнительно толстую заготовку постепенно вытягивают. Выходит волос длиной в километры. Материалы проходят стадию исследований.

Частоты

Скорость, дальность передачи ограничены эффектами дисперсии, затуханием. Исследователи нашли длины волн, минимизирующие недостатки. Образовано несколько окон, используемых телекоммуникациями:

1. О – 1260..1360 нм.
2. Е – 1360..1460 нм.
3. S – 1460..1530 нм.
4. С – 1530..1565 нм.
5. L – 1565..1625 нм.
6. U – 1625..1675 нм.

Окна идут непрерывно, существующие системы связи могут состоять одновременно из двух-трёх. Исторически первый промежуток (800-900 нм) сегодня убран, поскольку потери оказались непомерно высокими. Окна О, Е характеризуются нулевой дисперсией. Чаще применяют S, C, демонстрирующие преимущества минимального затухания (максимальная дальность передачи).