Komunikační linky z optických vláken. Komunikační linky z optických vláken: neomezené možnosti

Technologický věk nám dal mnoho skvělých vynálezů a objevů, ale zjevně to byla schopnost přenášet informace na velké vzdálenosti, která představovala jeden z nejvýznamnějších příspěvků k rozvoji technologie. Datové nosiče ušly dlouhou cestu od měděného drátu před stoletím k dnešním kabelům z optických vláken. V důsledku toho se mnohonásobně zvýšil objem informací, rychlost a vzdálenost jejich přenosu, což rozšířilo limity technologického rozvoje ve všech oblastech.

Dnešní nízkoztrátové optické kabely ze skleněných vláken poskytují prakticky neomezenou šířku pásma a mají mnoho dalších výhod oproti dříve vyráběným médiím. Nejjednodušší optický systém pro přenos informací mezi dvěma body se skládá ze tří hlavních prvků: optického vysílače, optického kabelu a optického přijímače (obr. 1).

Rýže. 1. Schéma nejjednoduššího optického systému přenosu informací

Optický vysílač převádí analogový nebo digitální elektrický signál na odpovídající světelný signál. Světelným zdrojem může být buď LED nebo polovodičový laser. Nejčastěji používané světelné zdroje s vlnovou délkou 850, 1300 a 1550 nanometrů.

Optický kabel sestává z jednoho nebo více skleněných vláken, která fungují jako vlnovody (světlovody) pro světlo. Konstrukčně je optický kabel podobný elektrickému kabelu, ale obsahuje speciální prvky pro ochranu světlovodů uvnitř. Připojení mnohakilometrových kabelů se provádí pomocí odnímatelných a pevných optických konektorů.

optický přijímač převádí světelný signál na kopii původního elektrického signálu. Jako citlivý prvek optického přijímače se používá buď lavinová fotodioda nebo (častěji) PIN fotodioda.

Systémy přenosu informací z optických vláken - optický přijímač a vysílač propojené optickým kabelem - mají mnoho výhod oproti běžným měděným drátům a koaxiálním kabelům:

Proč mají systémy z optických vláken tyto užitečné vlastnosti? Přečtením této brožury a pochopením principů technologie optických vláken získáte odpověď na tuto otázku. Každá ze tří součástí optických systémů – vysílače, přijímače a kabely – má svou vlastní sekci.

Optické vysílače

Optický vysílač převádí elektrický signál na modulovaný světelný paprsek pro přenos přes optické vlákno. V závislosti na typu signálu lze použít různé způsoby modulace - rozsvícení a zhasnutí světla nebo jeho plynulá změna mezi danými úrovněmi v poměru ke vstupnímu signálu. Na Obr. 2 jsou tyto dvě hlavní modulační metody znázorněny v grafech závislosti intenzity světla na čase.

Rýže. 2. Základní metody modulace světelného toku

Nejčastěji optické vysílače využívají jako zdroj světla diody emitující světlo (LED) a polovodičové lasery (laserové diody). Pro použití v optických systémech jsou tato zařízení vyráběna v pouzdrech, které umožňují přivést vlákno co nejblíže k zóně vyzařující světlo. To je nutné pro nasměrování co největšího množství světla do světlovodu. Někdy je zářič vybaven mikroskopickou sférickou čočkou, která umožňuje posbírat všechno světlo „do poslední kapky“ a nasměrovat ho do vlákna. V některých případech je skleněné vlákno připojeno přímo k povrchu krystalu vyzařujícího světlo.

Nejčastěji optické vysílače využívají jako zdroj světla diody emitující světlo (LED) a polovodičové lasery (laserové diody).

LED diody mají poměrně velkou vyzařovací plochu, a proto nevyzařují tak efektivně jako lasery. LED jsou však široce používány na komunikačních linkách krátké a střední délky. LED jsou mnohem levnější než lasery, mají téměř lineární závislost intenzity záření na velikosti elektrického proudu a intenzita jejich záření slabě závisí na teplotě. Na druhé straně lasery mají velmi malou plochu vyzařování a mohou dodat vláknu mnohem více energie než LED. Jsou také lineární v proudu, ale jsou velmi citlivé na teplotu a pro dosažení potřebné stability vyžadují složitější elektronické obvody. Protože lasery jsou poměrně drahé, používají se hlavně tam, kde je vyžadován přenos dat na velké vzdálenosti.

Protože lasery jsou poměrně drahé, používají se hlavně tam, kde je vyžadován přenos dat na velké vzdálenosti.

LED a lasery používané v optických komunikacích vyzařují v infračervené části spektra elektromagnetických vln, a proto je jejich světlo pro lidské oko neviditelné bez použití speciálních prostředků. Vlnová délka záření byla zvolena s ohledem na maximální průhlednost materiálu světlovodů a nejvyšší citlivost fotodiod. Nejčastěji používané vlnové délky jsou dnes 850, 1300 a 1550 nanometrů. LED i lasery jsou k dispozici pro všechny tři vlnové délky.

Jak již bylo zmíněno, světelný tok LED a laserů je modulován jedním ze dvou způsobů: „on-off“ nebo lineární plynulou změnou intenzity. Na Obr. 3 ukazuje zjednodušené obvody, které implementují oba způsoby modulace. K ovládání emitoru se používá tranzistor, jehož báze přijímá předem vytvořený digitální signál. Maximální modulační frekvence je v tomto případě určena elektronickým obvodem a vlastnostmi emitoru. S LED jsou snadno dosažitelné frekvence několika stovek megahertzů, s lasery tisíce megahertzů. Na schématu není zobrazena jednotka tepelné stabilizace (LED ji většinou vůbec nepotřebují).

Lineární modulace se provádí pomocí obvodu založeného na operačním zesilovači (obrázek 3B). Modulační signál je přiveden na invertující vstup zesilovače, DC offset je aplikován na neinvertující vstup. Obvod tepelné stabilizace zde také není zobrazen.

Rýže. 3. Metody modulace světelného toku LED
a polovodičové lasery

V digitálním signálu, který k přenosu používá modulaci zapnuto-vypnuto, lze logické úrovně kódovat různými způsoby. V nejjednodušším z nich odpovídá přítomnost světla logické jednotce a jeho nepřítomnosti logické nule. Kromě toho se používá modulace šířky pulzu a pulzně-frekvenční modulace. U pulzně šířkové modulace se používá nepřetržitý proud pulzů, jejichž dvě různé doby trvání kódují logické úrovně signálu. Při pulzně-frekvenční modulaci mají všechny pulzy stejnou dobu trvání, ale jejich opakovací frekvence se mění v závislosti na vysílané logické úrovni.

Obr. 4. Různé způsoby optického přenosu analogu
a digitální informace

V digitálním signálu, který k přenosu používá modulaci zapnuto-vypnuto, lze logické úrovně kódovat různými způsoby. V nejjednodušším z nich odpovídá přítomnost světla logické jednotce a jeho nepřítomnosti logické nule.

Existuje také několik metod pro analogovou modulaci. Nejjednodušší z nich je lineární modulace, kdy intenzita světelného zdroje přímo souvisí s velikostí přenášeného signálu. V jiných metodách vysílaný signál nejprve moduluje vysokofrekvenční nosnou (a v některých případech více nosných) a poté tento komplexní signál řídí jas světelného zdroje.

Na Obr. 4 ukazuje intenzitu světla v závislosti na čase pro tyto modulační metody.

Frekvence světla (což je také elektromagnetické záření) je velmi vysoká – v řádu milionů gigahertzů. Kmitočtové pásmo světelných zářičů (laserů a LED) je poměrně široké, ale bohužel moderní technologie neumožňuje selektivní využití tohoto pásma, jako je tomu při přenosu informací rádiem. V optickém vysílači se zapíná a vypíná celé frekvenční pásmo najednou, jak se to dělalo u prvních jiskrových vysílačů na úsvitu rozhlasové éry. Časem vědci tuto překážku překonají a „koherentní přenos“ bude možný, což předurčí další vývoj technologie optických vláken.

Světlovody

Vstup světla do optického vlákna

Čím vyšší je výkon zářiče, tím více světla vstupuje do vlákna.

Poté, co vysílač převede vstupní elektrický signál na vhodně modulované světlo, musí být injektován do optického vlákna. Jak již bylo zmíněno, existují dva způsoby, jak toho dosáhnout: přímé připojení vyzařovacího prvku ke světlovodu a umístění světlovodu do těsné blízkosti zářiče. Při použití druhé metody závisí množství světla, které vstupuje do optického vlákna, na čtyřech faktorech: intenzitě záření, ploše vyzařovacího prvku, vstupním úhlu vlákna a ztrátách odrazem a rozptylem. Pojďme se rychle podívat na všechny tyto faktory.

Intenzita Výkon záření LED nebo laseru závisí na jeho konstrukci a obvykle se vyjadřuje jako celkový výstupní výkon při daném proudu. Někdy se tento údaj uvádí jako skutečný výkon přenášený v konkrétním typu vlákna. Pokud jsou ostatní věci stejné, čím vyšší je výkon zářiče, tím více světla vstupuje do vlákna.

Poměr ploch vyzařovacího prvku a jádra optického vlákna určuje podíl celkového výkonu, který vstupuje do vlákna – čím menší je tento poměr, tím více světla bude ve vláknu.

Vláknem se bude šířit pouze světlo, které vstupuje do vlákna pod úhlem menším nebo rovným vstupu.

Vstupní úhel Optické vlákno je charakteristické svou numerickou aperturou (NA), která je definována jako sinus poloviny vstupního úhlu. Typické hodnoty NA se pohybují od 0,1 do 0,4, což odpovídá vstupnímu úhlu 11 až 46 stupňů. Vláknem se bude šířit pouze světlo, které vstupuje do vlákna pod úhlem menším nebo rovným vstupu.

Ztráty. Kromě ztrát v důsledku znečištění na povrchu vlákna je vždy nevyhnutelná ztráta intenzity světla způsobená odrazy na vstupu a výstupu z vlákna. Jedná se o tzv. Fresnelovy ztráty (pojmenované podle francouzského fyzika A. J. Fresnela), které tvoří přibližně 4 % celkové intenzity na každém rozhraní sklo-vzduch. V případě potřeby se ke snížení těchto ztrát nanese na spojované skleněné plochy trochu speciálního optického gelu.

Typy optických vláken

Nyní se používají dva typy optických vláken: s postupnou a plynulou změnou indexu lomu podél poloměru (profilu). Na Obr. 5 ukazuje, že světlo se těmito světlovody šíří různými způsoby.

Obrázek 5. Šíření světla optickým vláknem se stupňovitými a hladkými profily indexu lomu

Optické vlákno je charakterizováno tloušťkou jádra a pláště, která se vyjadřuje v mikrometrech. Dnes se běžně používají tři velikosti vláken pro všeobecné použití, i když existují i ​​jiné velikosti pro speciální aplikace. Jedná se o multimódová vlákna 50/125 a 62,5/125 µm a single-mode 8-10/125 µm.

Jak je znázorněno na obrázku, vlákno se stupňovitým indexem lomu sestává ze skleněného jádra s nízkou ztrátou obklopeného skleněným pláštěm s nižším indexem lomu. Tento rozdíl v indexu lomu způsobuje, že se světlo odráží od rozhraní mezi jádrem a pláštěm podél celé dráhy šíření. Hladké profilové vlákno se skládá pouze z jednoho druhu skla, ale je zpracováno tak, že jeho index lomu plynule klesá od středu k okraji. Výsledkem je, že světlovod podobně jako prodloužená čočka neustále odklání světlo, které se jím šíří, směrem do středu.

Optické vlákno je charakterizováno tloušťkou jádra a pláště, která se vyjadřuje v mikrometrech. Dnes se běžně používají tři velikosti vláken pro všeobecné použití, i když existují i ​​jiné velikosti pro speciální aplikace. Jedná se o multimódová vlákna 50/125 a 62,5/125 µm a single-mode 8-10/125 µm. První dvě velikosti se obvykle používají s LED zářiči na krátkých až středně dlouhých přenosových vedeních. Optické vlákno s jádrem 8-10 mikronů se nejčastěji používá v dálkových telekomunikačních systémech ve spojení s laserovými optickými vysílači.

Ztráta optického vlákna

Kromě ztráty intenzity signálu ve spojení zářiče a optického vlákna dochází ke ztrátám i při šíření světla po optickém vláknu. Jádro optického vlákna je vyrobeno z ultračistého skla s velmi nízkými ztrátami. Sklo musí mít nejvyšší průhlednost, protože světlo musí projít kilometry podél vlákna, které je z něj vyrobeno. Podívejme se na obyčejné okenní sklo. Je průhledný, ale jen proto, že jeho tloušťka je pouze 3-4 mm. Stačí se podívat na konec skleněné desky a vidět její zelenou barvu, abyste pochopili, jak moc pohlcuje světlo i na délku tuctu nebo dvou centimetrů. Je snadné si představit, jak málo světla projde sto metrů silnou okenní tabulí!

Většina univerzálních světlovodů dává při vlnové délce 850 nm ztrátu 4 až 6 decibelů na kilometr (to znamená, že na kilometr se ztratí 60 až 75 % světla). Při vlnové délce 1300 nm je ztráta snížena na 3-4 dB/km (50-60%) a při 1550 nm je to ještě méně - není neobvyklé, že je 0,5 dB/km (10%).

Většina univerzálních světlovodů dává při vlnové délce 850 nm ztrátu 4 až 6 decibelů na kilometr (to znamená, že na kilometr se ztratí 60 až 75 % světla). Při vlnové délce 1300 nm jsou ztráty sníženy na 3-4 dB/km (50-60 %) a na vlnové délce 1550 nm jsou ještě méně – není to neobvyklá hodnota 0,5 dB/km (10 %).

Hlavní příčinou ztrát je absorpce světla nehomogenitami a jejich rozptyl. Další příčinou ztráty optického vlákna je jeho nadměrné ohýbání, při kterém část světla opouští jádro. Aby se zabránilo takovým ztrátám, měl by být poloměr ohybu optického kabelu při instalaci alespoň 2,5 cm (a častěji i více).

Šířka pásma vlákna

Šířka pásma optického vlákna pro modulovaný signál je však omezená a čím větší, tím delší je optické vlákno.

Čím méně režimů záření, tím širší je šířka pásma vlákna.

Výše uvedené ztráty nezávisí na modulační frekvenci, to znamená, že ztrátová úroveň 3 dB znamená, že 50 % světla nedosáhne přijímače, bez ohledu na to, zda je modulován signálem 10 Hz nebo 100 MHz. Šířka pásma optického vlákna pro modulovaný signál je však omezená a čím větší, tím delší je optické vlákno. Důvod tohoto omezení je znázorněn na obr. 6. Světlo vstupující do vlákna pod malým úhlem k jeho ose (M1) se šíří po kratší dráze než to, které vstupuje pod úhlem blízkým limitnímu vstupu (M2). V důsledku toho různé paprsky přicházející ze stejného zdroje (nazývané mody) nedorazí na vzdálený konec vlákna současně, což vede k efektu rozmazání – rozšíření krátkých pulzů. To omezuje maximální frekvenci signálu přenášeného přes optický kabel. Stručně řečeno, čím méně režimů záření, tím širší je šířka pásma vlákna. Pro snížení počtu módů šíření je jádro vlákna vyrobeno tenčí. Jednovidové vlákno s průměrem jádra 8 až 10 µm má mnohem širší šířku pásma než multividová vlákna o průměru 50 a 62,5 µm, která mohou současně šířit velké množství módů záření.

Rýže. 6. Šířka pásma modulace přenášené vláknem,
omezena existencí různých cest pro šíření světla

Typická šířka pásma pro konvenční optická vlákna je několik megahertzů na kilometr pro vlákno s velmi velkým průměrem jádra, několik stovek megahertzů na kilometr pro standardní vícevidové vlákno a tisíce megahertzů na kilometr pro jednovidová optická vlákna. S rostoucí délkou kabelu se proporcionálně snižuje šířka pásma. Například kabel, který má pásmo 500 MHz nad 1 km, může poskytnout pásmo 250 MHz na 2 km, ale pouze 100 MHz na 5 km.

Velmi široká šířka pásma jednovidových vláken umožňuje prakticky ignorovat jejich délku. U vícevidových vláken je však tento faktor důležitý, protože frekvenční rozsah přenášených signálů často přesahuje šířku pásma kabelů.

Design kabelu z optických vláken

Typická šířka pásma pro konvenční optická vlákna je několik megahertzů na kilometr pro vlákno s velmi velkým průměrem jádra, několik stovek megahertzů na kilometr pro standardní vícevidové vlákno a tisíce megahertzů na kilometr pro jednovidová optická vlákna. S rostoucí délkou kabelu se proporcionálně snižuje šířka pásma.

Kabely z optických vláken jsou k dispozici v různých průměrech a provedeních. Stejně jako v případě koaxiálních kabelů je design kabelů z optických vláken určen jejich účelem. Externě je optický kabel podobný koaxiálnímu kabelu. Na Obr. 7 schematicky znázorňuje konstrukci standardního kabelu z optických vláken.

Optické vlákno má ochranný povlak, který ho chrání před poškozením během výrobního procesu. Je umístěn v těsně přiléhající PVC trubce, kde se může volně ohýbat při pokládání kolem rohů stěn a v kabelových kanálech.

Tato trubka je obehnána kevlarovým opletem, který přebírá hlavní mechanickou sílu působící na kabel při instalaci. Nakonec vnější plášť z PVC chrání celý kabel a zabraňuje pronikání vlhkosti dovnitř.

Kabely tohoto provedení jsou vhodné pro pokládku uvnitř budov, kde není vyžadována výrazná odolnost vůči vnějším vlivům. Kabely jsou k dispozici pro téměř všechny aplikace, jako jsou přímo zakopané ocelové vnější pláště odolné proti hlodavcům a kabely zpomalující hoření s certifikací UL pro instalaci nad falešnými stropy. K dispozici jsou také barevně označené vícežilové kabely.

Rýže. 7. Konstrukce standardního optického kabelu

Jiné typy světlovodů

Plastové světlovody se používají k přenosu dat na velmi krátké vzdálenosti uvnitř elektronických zařízení ve spojení s levnými LED diodami. Jednou ze standardních aplikací takových vláken je optická izolace řídicích obvodů ve vysokonapěťových zdrojích.

Další dva typy optických vláken – křemenné s jádrem o velmi velkém průměru a vyrobené výhradně z plastu – se v telekomunikacích obvykle nepoužívají. Křemenná vlákna se používají k přenosu silných světelných toků, například v laserové chirurgii. Plastové světlovody se používají k přenosu dat na velmi krátké vzdálenosti uvnitř elektronických zařízení ve spojení s levnými LED diodami. Jednou ze standardních aplikací takových vláken je optická izolace řídicích obvodů ve vysokonapěťových zdrojích.

Optické konektory

Pomocí optických konektorů se optické kabely připojují k zařízení nebo propojují. Funkce a vzhled jsou podobné elektrickým konektorům, ale vyžadují velmi vysokou přesnost výroby. U optického rozebíratelného spojení je nutné přesné vyrovnání a vystředění jádra obou vláken. Protože jejich průměr je velmi malý (například 50 µm), požadavky na přesnost jsou velmi vysoké: tolerance je řádově jeden mikron.

V dnešní době se používá mnoho různých typů optických konektorů. Konektor SMA, který se používal ještě před vynálezem jednovidových vláken, zůstal donedávna nejrozšířenějším. Na Obr. 8 ukazuje konstrukční detaily tohoto konektoru.

Rýže. 8. Konstrukce konektoru SMA

Vezměte prosím na vědomí, že vícevidové konektory ST budou správně fungovat pouze s vícevidovými vlákny.

Pro multimode vlákna se nyní nejčastěji používá konektor ST vyvinutý společností AT&T. Používá bajonetový zámek a celková ztráta je menší než u SMA. Sladěný pár konektorů ST poskytuje ztrátu méně než 1 dB (20 %) a nevyžaduje další vodicí průchodky nebo jiné podobné prvky. Antirotační jazýček zajišťuje, že optická vlákna jsou při spojování vždy instalována ve stejné vzájemné poloze, čímž je zajištěna stabilita charakteristik zástrčkového spojení.

Konektory ST jsou k dispozici pro multimode i singlemode vlákna - hlavním rozdílem jsou tolerance. Vezměte prosím na vědomí, že vícevidové konektory ST budou správně fungovat pouze s vícevidovými vlákny. Dražší jednovidové konektory ST lze použít s jednovidovými i vícevidovými vlákny. Postupy instalace konektorů ST a SMA na kabel jsou podobné a trvají přibližně stejně dlouho. Na Obr. Obrázek 9 ukazuje hlavní prvky průmyslového standardního konektoru ST.

Rýže. 9. Základní prvky ST konektoru

Trvalé spoje světlovodů

Přestože lze pro spojení dvou vláken použít optické konektory, existují i ​​jiné způsoby, které poskytují výrazně nižší ztráty. Dva nejběžnější jsou mechanický spoj a svařovaný spoj. Oba poskytují úroveň ztráty 0,15 až 0,1 dB (3-2 %).

Pro mechanické spojení se konce světlovodů uvolní z mušlí, jejich konce se očistí a přesně vyrovnají pomocí speciálního mechanického zařízení. Aby se minimalizovaly ztráty odrazem, je na spoj aplikován optický gel. Zarovnané konce světlovodů jsou drženy na místě zajišťovacím mechanismem.

Optické přijímače

Hlavním úkolem optického přijímače je převést modulovaný světelný tok přicházející z optického vlákna na kopii původního elektrického signálu přivedeného do vysílače.

Hlavním úkolem optického přijímače je převést modulovaný světelný tok přicházející z optického vlákna na kopii původního elektrického signálu přivedeného do vysílače. Detektorem v přijímači je obvykle PIN nebo lavinová fotodioda, která se montuje na optický konektor (obdobný jako u světelných zdrojů). Fotodiody mají obvykle poměrně velký snímací prvek (několik mikrometrů v průměru), takže požadavky na přesnost polohování vláken nejsou tak přísné jako u vysílačů.

Je důležité používat přijímače pouze s velikostí vlákna, pro kterou jsou určeny, jinak může dojít k přetížení zesilovače.

Intenzita záření vycházejícího z optického vlákna je poměrně nízká a v optických přijímačích jsou instalovány interní zesilovače s vysokým ziskem. Proto je důležité používat přijímače pouze s velikostí vlákna, pro kterou jsou určeny, jinak může dojít k přetížení zesilovače. Pokud je například pár vysílač-přijímač navržený pro jednovidové vlákno použit s vícevidovým vláknem, pak do přijímače pronikne příliš mnoho světla, což způsobí jeho saturaci a vážné zkreslení výstupního signálu. Podobně, při použití jednovidového vlákna s vysílačem a přijímačem dimenzovaným na multimode, do přijímače dopadne málo světla a výstupní signál bude obsahovat hodně šumu nebo se neobjeví vůbec. Jediným případem, kdy může být neshoda typu přijímače a vysílače užitečná, jsou nadměrné ztráty ve vláknu. Pak dalších 5-15 dB, které umožní výměnu jednovidového vlákna za multimódové, ušetří situaci a umožní vám získat funkční systém. To je však extrémní situace a pro běžné použití se nedoporučuje.

Je třeba si uvědomit, že elektronické přijímače signálu, na rozdíl od kabelů z optických vláken, jsou náchylné k elektromagnetickému rušení, takže při práci s nimi byste měli používat standardní ochranná opatření - stínění, uzemnění atd.

Stejně jako vysílače jsou i optické přijímače dostupné v analogové a digitální verzi. Oba používají analogový předzesilovač následovaný analogovým nebo digitálním výstupním stupněm.

Na Obr. 10 je blokové schéma jednoduchého analogového optického přijímače. Prvním stupněm je operační zesilovač zapojený jako převodník proudu na napětí. Slabý proud generovaný fotodiodou se zde převádí na napětí, jehož amplituda je obvykle několik milivoltů. V dalším stupni, kterým je jednoduchý napěťový zesilovač, se signál zesílí na požadovanou úroveň.

Funkční schéma digitálního optického přijímače je na Obr. 11. Stejně jako u analogového přijímače je prvním stupněm převodník proudu na napětí. Jeho výstup je přiveden do napěťového komparátoru, který vytváří čistý digitální signál s krátkými přechodovými jevy. Regulátor spouštěcí úrovně komparátoru, pokud je přítomen, se používá k jemnému doladění symetrie rekonstruovaného digitálního signálu.

Často se k přijímačům pro co nejpřesnější reprodukci vstupního signálu přidávají další stupně, které fungují jako lineární zesilovače pro koaxiální kabely, převodníky protokolů atd. Je třeba si uvědomit, že elektronické přijímače signálu, na rozdíl od kabelů z optických vláken, jsou náchylné k elektromagnetickému rušení, takže při práci s nimi byste měli používat standardní ochranná opatření - stínění, uzemnění atd.

Rýže. 10. Nejjednodušší analogový optický přijímač

Rýže. 11. Nejjednodušší digitální optický přijímač

Vývoj systému optických vláken

Při navrhování systému optických vláken je třeba vzít v úvahu mnoho faktorů, z nichž každý přispívá ke konečnému cíli zajistit, aby do přijímače pronikalo dostatek světla. Bez dosažení tohoto cíle nebude systém správně fungovat. Na Obr. 12 uvádí mnoho z těchto faktorů.

Rýže. 12. Nejdůležitější parametry, které je třeba zvážit
při vývoji systému optických vláken

Při navrhování systému optických vláken se doporučuje následující postup krok za krokem:

1. Vyberte vhodný přijímač a vysílač pro typ přenášeného signálu (analogový, digitální, video, RS-232, RS-422, RS-485 atd.).
2. Identifikace dostupných zdrojů energie (střídavé napětí, stejnosměrné napětí atd.).
3. V případě potřeby stanovení speciálních požadavků (například impedance, šířka pásma, speciální konektory a průměr vlákna atd.).
4. Výpočet celkových ztrát v systému (v decibelech): součet ztrát v kabelech, v rozebíratelných a nerozebíratelných spojích. Tyto specifikace jsou k dispozici u výrobců elektronických zařízení a optických kabelů.
5. Porovnání získaného ztrátového čísla s povolenou hodnotou úrovně signálu na vstupu přijímače. Měli byste být na bezpečné straně přidáním alespoň 3 dB prostoru pro celý systém.
6. Ověřte, zda je šířka pásma systému vhodná pro přenosové potřeby požadovaného typu signálu. Pokud výpočty ukazují, že šířka pásma nestačí k přenosu signálu na požadovanou vzdálenost, pak byste měli buď zvolit jiný přijímač a vysílač (jiná vlnová délka), nebo zvážit použití dražšího a kvalitnějšího optického kabelu s menší ztráta.

Kontrolní seznam parametrů požadovaných pro návrh datového systému s optickými vlákny

V současné době optické komunikační linky používají:

• a) optická vedení využívající optický kabel - optické komunikační linky (FOCL);
• b) optické komunikační linky bez použití optického kabelu.

Komunikační linky z optických vláken mají nejlepší ukazatele z hlediska rychlosti přenosu dat, odolnosti proti šumu a ochrany před neoprávněným přístupem.

Komunikační linky z optických vláken (FOCL)

Blokové schéma optické komunikační linky je znázorněno na Obr. 7.11.

Rýže. 7.11.

Elektrický signál je posílán do vysílače - transceiveru, který převádí elektrický signál na světelný impuls. Ten je přiveden do optického kabelu přes optický konektor. V místě příjmu je optický kabel připojen k přijímači-transceiveru, který převádí paprsek světla na elektrický signál pomocí optického konektoru.

V závislosti na účelu FOCL, jeho délce, kvalitě použitých komponent se může blokové schéma měnit. S významnými vzdálenostmi mezi body vysílání a příjmu je zaveden opakovač - zesilovač signálu. Při krátké délce optického kabelu (pokud stačí stavební délka optického kabelu) odpadá svařování kabelu. Stavební délkou se rozumí délka jednoho kusu kabelu dodávaného výrobcem.

Komunikační linky z optických vláken mají následující výhody:

• 1. Vysoká odolnost proti šumu od vnějšího elektromagnetického rušení a od mezikanálového vzájemného rušení.
• 2. Široký rozsah pracovních frekvencí umožňuje přenos informací po takové komunikační lince rychlostí 10 | 2 bit/s = Tbit/s.
• 3. Ochrana proti neoprávněnému přístupu: FOCL téměř nevyzařuje záření do okolního prostoru a je téměř nemožné vyrobit odbočky optické energie bez zničení kabelu. A jakýkoli dopad na vlákno lze zaznamenat monitorováním (nepřetržitou kontrolou) integrity linky.
• 4. Možnost skrytého přenosu informací.
• 5. Potenciálně nízké náklady díky nahrazení drahých neželezných kovů (měď) materiály s neomezeným množstvím surovin (oxid křemičitý).
• 6. Automaticky je zajištěno galvanické oddělení liniových segmentů.

Technologie optických vláken má však také své nevýhody:

• 1. Vysoká cena zařízení.
• 2. Vyžaduje se drahé technologické vybavení, a to jak při montáži, tak při provozu. Když se optický kabel rozbije, náklady na jeho obnovu jsou mnohem vyšší než na obnovu měděného kabelu.
• 3. Optické kabely nejsou odolné vůči záření.

FOCL je založen na optických kabelech vyrobených z

jednotlivé světlovody - optická vlákna.

optické vlákno je tenká dvouvrstvá nit skládající se z jádra a pláště s různými indexy lomu. K ochraně vlákna před atmosférickými a mechanickými vlivy je na reflexní plášť nanesen ochranný povlak. Provedení optického vlákna s ochranným povlakem je na obr. 7.12.

Rýže. 7.12.

Používají se 3 typy optických vláken: polymerová optická vlákna (POF = Plastic Optical Fiber), křemenná polymerová optická vlákna (PCF = Polymer Cladded Fiber), křemenná optická vlákna (GOF = Glass Optical Fiber).

Polymerová optická vlákna jsou vyrobena z polymerních materiálů s vysokými optickými vlastnostmi. Optické kabely vyrobené z polymerových optických vláken se vyznačují dobrou flexibilitou (s průměrem vlákna 1,5 mm, povolený poloměr ohybu vlákna je 8 mm) a poskytují propustnost až 2,5 Gbps, což je výrazně více než u kroucené dvoulinky. (max 1 Gbps). Dosah přenosu dat - až 80 m.

POF je v současné době široce používán. Používá se pro dekorativní, architektonické a krajinářské osvětlovací systémy, pro osvětlení bazénů, pro bezpečné osvětlení nebezpečných prostor. Za další oblast použití lze považovat použití POF pro výrobu vizuálních indikačních systémů pro informační panely ve spotřební, automobilové, průmyslové a lékařské elektronice. SOV se používá k vytvoření vysokorychlostních, levných, elektromagnetických nerušených datových přenosových linek na krátké vzdálenosti (systémy automatizace technologických procesů, přenos signálů z videokamer, optických senzorů; místní sítě). Například POV kabely se používají v průmyslovém standardu PROFIBUS. Obrázek 7.13 ukazuje vzhled takového kabelu s nainstalovaným konektorem.

Křemenná polymerová optická vlákna jsou vyrobena s křemenným jádrem a polymerovým reflexním pláštěm a jsou navržena pro intra- a meziobjektové komunikační systémy. Dosah přenosu dat až 400 m, poloměr více kabelových ohybů - ne menší než

75 mm. Kabely PCF se dodávají předem nařezané s nainstalovanými konektory. Vzhled jednoho z těchto kabelů je znázorněn na Obr. 7.13.

Rýže. 7.13.

Křemenná optická vlákna jsou vyrobena z vysoce čistého křemenného skla (jádro a reflexní plášť) a používají se tam, kde je třeba přenášet velké množství dat vysokou rychlostí a na velké vzdálenosti - až několik kilometrů (na dlouhé vzdálenosti, vnitro- a mezi objektové komunikační systémy: lokální počítačové sítě LAN (Local Area Networks), MAN sítě (Metropolitan Area Networks), WAN sítě (Wide Area Networks)).

Přenos optické energie optickým vláknem je zajištěn efektem totálního vnitřního odrazu. Křemenné optické vlákno je dvouvrstvý válcový světlovod (obr. 7.14).

Rýže. 7.

ve vláknině

Materiál vnitřního jádra má index lomu n a a materiál vnější vrstvy je n 2, kde n > n 2, tj. materiál vnitřního jádra je opticky hustší než materiál pláště. Pro záření vstupující do válce pod malými úhly vzhledem k ose válce je splněna podmínka úplného vnitřního odrazu: při dopadu záření na hranici s pláštěm se veškerá energie záření odrazí do jádra vlákna. Totéž se děje se všemi následujícími odrazy; v důsledku toho se záření šíří podél osy vlákna, aniž by opouštělo plášť. Maximální úhel mimo osu, při kterém ještě dochází k úplnému vnitřnímu odrazu, je dán

Hodnota A 0 se nazývá numerická apertura optického vlákna a bere se v úvahu při spárování optického vlákna s emitorem. Záření dopadající na čelní plochu pod úhly y>yo(paprsky mimo aperturu), při interakci s pláštěm se nejen odráží, ale i láme; část optické energie opouští vlákno. Nakonec, po vícenásobném setkání s rozhraním jádro-plášť, je takové záření zcela rozptýleno z vlákna.

Optické vlákno se vyznačuje dvěma důležitými parametry: disperzí a útlumem.

Disperze, tedy závislost rychlosti šíření signálu na vlnové délce záření, je nejdůležitějším parametrem optického vlákna. Protože LED nebo laser při přenosu informace vyzařují určité spektrum vlnových délek, vede disperze k rozšíření pulzů při šíření podél vlákna a tím dochází ke zkreslení signálu. Při posuzování rozptylu se používá termín "šířka pásma" - převrácená hodnota rozšíření pulzu při průchodu vzdálenosti 1 km podél optického vlákna. Šířka pásma se měří v megahertz na kilometr (MHz km). Rozptyl ukládá omezení na dosah přenosu a horní hodnotu frekvence přenášených signálů.

útlum je určena ztrátami v důsledku absorpce a rozptylu záření v optickém vláknu. Absorpční ztráta závisí na čistotě materiálu a ztráta rozptylem na nehomogenitě jeho indexů lomu. Útlum také závisí na vlnové délce záření přiváděného do optického vlákna.

Útlum je kvantifikován vzorcem

kde Pin je výkon vstupního optického signálu; R ex- výkon výstupního optického signálu; / - délka vlákna.

Jednotkou útlumu je decibel na kilometr (dB/km).

Hodnoty útlumu a disperze se liší pro různé typy křemenných optických vláken.

Podle průměru a profilu indexu lomu ve směru od středu k periferii v průřezu světlovodu se dělí na multividová vlákna se stupňovitým profilem indexu lomu, jednovidová vlákna, multividová vlákna s příp. změna gradientu indexu lomu. Na Obr. 7.15 ukazuje cesty šíření světla v různých typech optického vlákna.

Rýže. 7.15.

Vlákno v (obr. 7.15, a) se nazývá krokové a vícevidové vlákno, protože existuje mnoho možných cest nebo režimů pro šíření paprsku světla. Tato rozmanitost režimů má za následek rozptyl (rozšíření) pulsů, protože každý režim prochází vláknem jinou cestou, a proto různé režimy mají různá přenosová zpoždění, když cestují z jednoho konce vlákna na druhý. Výsledkem tohoto jevu je omezení maximální frekvence, kterou lze efektivně přenášet pro danou délku vlákna. Zvýšení frekvence nebo délky vlákna nad mezní hodnoty v podstatě vede ke slučování po sobě jdoucích pulzů, což znemožňuje jejich rozlišení. Pro typické multimódové vlákno je tento limit přibližně 15 MHz km. To znamená, že video signál o šířce pásma např. 5 MHz lze přenášet na maximální vzdálenost 3 km (5 MHz? 3 km = 15 MHz km). Pokus o přenos signálu na větší vzdálenost bude mít za následek progresivní ztrátu vysokých frekvencí. U vícevidového vlákna je průměr světelného vlákna 50; 62,5; 85; 140 um.

Jednovidová vlákna (obr. 7.15, b) velmi účinně snižují rozptyl a výsledná šířka pásma - mnoho GHz km - je činí ideálními pro dlouhé spoje. V ideálním případě se jednovidovými vlákny šíří pouze jedna vlna. Mají mnohem nižší koeficient útlumu (v závislosti na vlnové délce 2 ... 4 a dokonce 7 ... 10krát) ve srovnání s multimódovými a největší šířku pásma, protože signál v nich není téměř zkreslený. Ale k tomu musí být průměr jádra vlákna úměrný vlnové délce. Prakticky je průměr 8 ... 10 mikronů. Bohužel vlákno o tak malém průměru vyžaduje použití výkonného, ​​přesně seřízeného, ​​a tedy poměrně drahého laserového diodového zářiče, což snižuje jejich atraktivitu pro mnoho aplikací.

V ideálním případě je vyžadováno vlákno stejného řádu šířky pásma jako jednovidové vlákno, ale se stejným průměrem jako vícevidové vlákno, aby bylo možné použít levné LED vysílače. Tyto požadavky do určité míry splňuje vícevidové vlákno s gradientní změnou indexu lomu (obr. 7.15, c). Podobá se výše popsanému vícevidovému vláknu se stupňovitým indexem, ale jeho jádrový index lomu je nestejnoměrný – plynule se mění z maximální hodnoty ve středu k nižším hodnotám na periferii. To vede ke dvěma důsledkům. Za prvé se světlo šíří po mírně zakřivené dráze a za druhé, a co je důležitější, rozdíly ve zpoždění šíření mezi různými režimy jsou minimální. Je to proto, že vysoké vidy vstupující do vlákna pod velkým úhlem a procházející delší dráhou se ve skutečnosti začnou šířit rychleji, když se pohybují od středu do oblasti, kde index lomu klesá, a obecně se pohybují rychleji než nižší- vidy řádu zůstávající blízko osy vlákna, v oblasti vysokého indexu lomu. Zvýšení rychlosti jen kompenzuje větší ujetou vzdálenost.

Gradientní vícevidová optická vlákna jsou výhodnější, protože za prvé se v nich šíří méně vidů a za druhé se jejich úhly dopadu a odrazu méně liší, a v důsledku toho jsou podmínky přenosu příznivější.

Ačkoli multimodová vlákna s odstupňovaným indexem nejsou ideální, stále vykazují velmi dobrou šířku pásma. Proto je u většiny systémů krátké a střední délky výhodnější volba tohoto typu vláken.

Optický signál zeslabuje ve všech vláknech rychlostí, která závisí na vlnové délce vysílače světelného zdroje. Existují tři vlnové délky, při kterých je útlum optického vlákna obvykle minimální – 850, 1310 a 1550 nm. Tato okna jsou známá jako průhledná okna. U multimódových systémů je první a nejčastěji používané okno 850 nm (nejnižší náklady na optické spojení). Při této vlnové délce vykazuje kvalitní vícevidové vlákno útlum řádově 3 dB/km, což umožňuje komunikovat na vzdálenosti přesahující 3 km.

Při vlnové délce 1310 nm vykazuje stejné vlákno ještě nižší útlum - 0,7 dB/km, čímž umožňuje úměrné zvýšení dosahu komunikace na cca 12 km; 1310 nm je také prvním operačním oknem pro jednovidové optické systémy s útlumem asi 0,4 dB/km, což v kombinaci s laserovými diodovými vysílači umožňuje vytvářet spoje dlouhé přes 50 km. Druhé průhledné okno - 1550 nm - slouží k vytvoření ještě delších komunikačních linek (útlum vlákna - méně než 0,24 dB/km).

Hodnoty útlumu v různých oknech průhlednosti ve vícevidových a jednovidových vláknech jsou uvedeny v tabulce 1. 7.3.

Tabulka 7.3

Hodnoty útlumu ve vícevidových a jednovidových vláknech

Pro propojení přijímače a vysílače se používá optický kabel (FOC), ve kterém jsou optická vlákna doplněna prvky, které zvyšují elasticitu a pevnost kabelu a chrání kabel před vnějšími vlivy. Existují kabely pro vnitřní pokládku, kabel pro venkovní použití (kabely, které lze zapustit do země; kabely uložené ve speciálních kanálech; kabely zavěšené na volném prostranství), kabely pro dlouhé podvodní komunikační linky.

Téměř všichni evropští výrobci používají na optických kabelech označení, která odpovídají systému DIN VDE 0888. Podle této normy je každému typu kabelu přiřazena posloupnost písmen a číslic, která obsahuje všechny vlastnosti optických kabelů. Tuzemští výrobci používají vlastní klasifikaci a vlastní zápis.

Dočasná porucha optického kabelu nebo nemožnost položit kabel, potřeba vysoké ochrany proti elektromagnetickému rušení a odposlechu vedly k vytvoření bezkabelových optických komunikačních linek s různými komunikačními dosahy.

Optické komunikační linky bez použití optického kabelu se dělí na dálkové optické linky a lokální bezdrátové optické linky.

Ideologie bezkabelové optiky je založena na tom, že optický kanál nahrazuje kabel.

Optické vlákno se skládá z centrálního vodiče světla (jádra) - skleněného vlákna obklopeného další vrstvou skla - pláštěm, který má nižší index lomu než jádro. Paprsky světla, které se šíří jádrem, nepřekračují jeho hranice a odrážejí se od krycí vrstvy pláště. U optického vlákna je světelný paprsek obvykle tvořen polovodičovým nebo diodovým laserem. Podle rozložení indexu lomu a velikosti průměru jádra se optické vlákno dělí na jednovidové a vícevidové.

Trh výrobků z optických vláken v Rusku

Příběh

Ačkoli je vláknová optika široce používaným a oblíbeným prostředkem poskytování komunikace, samotná technologie je jednoduchá a vyvinutá již dávno. Pokus se změnou směru světelného paprsku lomem předvedli již v roce 1840 Daniel Colladon a Jacques Babinet. O pár let později John Tyndall použil tento experiment na svých veřejných přednáškách v Londýně a již v roce 1870 publikoval práci o podstatě světla. Praktické uplatnění technologie bylo nalezeno až ve dvacátém století. Ve dvacátých letech minulého století prokázali experimentátoři Clarence Hasnell a John Berd možnost přenosu obrazu pomocí optických trubic. Tento princip použil Heinrich Lamm pro lékařské vyšetření pacientů. Teprve v roce 1952 provedl indický fyzik Narinder Singh Kapany řadu vlastních experimentů, které vedly k vynálezu optického vlákna. Ve skutečnosti vytvořil stejný svazek skleněných vláken a plášť a jádro byly vyrobeny z vláken s různými indexy lomu. Skořápka ve skutečnosti sloužila jako zrcadlo a jádro bylo průhlednější – tím byl vyřešen problém rychlého rozptylu. Pokud dříve paprsek nedosáhl konce optického vlákna a nebylo možné použít takové přenosové médium na velké vzdálenosti, nyní je problém vyřešen. Narinder Kapani vylepšil technologii do roku 1956. Spousta pružných skleněných tyčinek přenášela obraz prakticky bez ztráty nebo zkreslení.

Vynález vláknové optiky v roce 1970 odborníky z Corningu, který umožnil duplikovat systém přenosu dat telefonního signálu po měděném drátu na stejnou vzdálenost bez opakovačů, je považován za zlomový bod v historii vývoje optického vlákna. technologií. Vývojářům se podařilo vytvořit vodič, který je schopen udržet alespoň jedno procento výkonu optického signálu na vzdálenost jednoho kilometru. Na dnešní poměry je to spíše skromný úspěch, ale tehdy, téměř před 40 lety, to byla nezbytná podmínka pro vývoj nového typu drátové komunikace.

Zpočátku bylo optické vlákno vícefázové, to znamená, že mohlo přenášet stovky světelných fází najednou. Navíc zvětšený průměr jádra vlákna umožnil použití levných optických vysílačů a konektorů. Mnohem později se začalo používat vlákno s vyšší produktivitou, přes které bylo možné vysílat pouze jednu fázi v optickém médiu. Se zavedením jednofázového vlákna mohla být integrita signálu zachována na delší vzdálenost, což přispělo k přenosu značného množství informací.

Nejpopulárnější je dnes jednofázové vlákno s nulovým offsetem vlnové délky. Od roku 1983 zaujímá přední místo mezi produkty průmyslu optických vláken a svůj výkon prokázal na desítkách milionů kilometrů.

Výhody optického typu komunikace

• Širokopásmové optické signály díky extrémně vysoké nosné frekvenci. To znamená, že informace mohou být přenášeny po lince z optických vláken rychlostí řádově 1 Tbit/s;
• Velmi nízký útlum světelného signálu ve vláknu, který umožňuje budovat optické komunikační linky o délce až 100 km a více bez regenerace signálu;
• Odolnost vůči elektromagnetickému rušení okolními měděnými kabelovými systémy, elektrickým zařízením (elektrické vedení, instalace elektromotorů atd.) a povětrnostními podmínkami;
• Ochrana proti neoprávněnému přístupu. Informace přenášené přes komunikační linky z optických vláken nelze zachytit nedestruktivním způsobem;
• Elektrická bezpečnost. Optické vlákno, které je ve skutečnosti dielektrické, zvyšuje výbuch a požární bezpečnost sítě, což je důležité zejména v chemických a ropných rafinériích při obsluze vysoce rizikových technologických procesů;
• Trvanlivost FOCL - životnost optických komunikačních linek je minimálně 25 let.

Nevýhody optického typu komunikace

• Relativně vysoká cena aktivních liniových prvků, které převádějí elektrické signály na světlo a světlo na elektrické signály;
• Relativně vysoké náklady na spojování optických vláken. To vyžaduje přesné, a tedy drahé technologické vybavení. Výsledkem je, že při prasknutí optického kabelu jsou náklady na obnovu FOCL vyšší než při práci s měděnými kabely.

Prvky optického vedení

• Optický přijímač

Optické přijímače detekují signály přenášené přes optický kabel a převádějí je na elektrické signály, které je pak zesilují a dále přetvářejí, stejně jako hodinové signály. V závislosti na přenosové rychlosti a systémových specifikách zařízení lze datový tok převést ze sériového na paralelní.

• Optický vysílač

Optický vysílač v systému s optickými vlákny převádí elektrickou sekvenci dat dodávaných komponentami systému do optického datového toku. Vysílač se skládá z paralelně-sériového převodníku s hodinovým syntezátorem (který závisí na nastavení systému a přenosové rychlosti), budiče a zdroje optického signálu. Pro optické přenosové systémy lze použít různé optické zdroje. Například světlo emitující diody se často používají v levných místních sítích pro komunikaci na krátkou vzdálenost. Široká spektrální šířka pásma a nemožnost pracovat ve vlnových délkách druhého a třetího optického okna však neumožňují použití LED v telekomunikačních systémech.

• předzesilovač

Zesilovač převádí asymetrický proud z fotodiodového snímače na asymetrické napětí, které je zesíleno a převedeno na diferenciální signál.

• Synchronizace čipů a obnova dat

Tento mikroobvod musí obnovit hodinové signály z přijatého datového toku a jejich taktování. Obvod fázového závěsu potřebný pro obnovu hodin je také plně integrován do hodinového čipu a nevyžaduje externí referenci hodin.

• Sériově-paralelní převodní blok

• Paralelní na sériový převodník

• laserový tvarovač

Jeho hlavním úkolem je dodávat předpětí a modulační proud pro přímou modulaci laserové diody.

• Optický kabel, sestávající z optických vláken pod společným ochranným pláštěm.

jednovidové vlákno

S dostatečně malým průměrem vlákna a vhodnou vlnovou délkou se bude vláknem šířit jediný paprsek. Obecně samotná skutečnost, že průměr jádra je zvolen pro režim šíření signálu v jednom režimu, ukazuje na zvláštnost každé jednotlivé varianty konstrukce vlákna. To znamená, že jednovidové by měly být chápány jako charakteristiky vlákna vzhledem ke specifické frekvenci použité vlny. Šíření pouze jednoho paprsku umožňuje zbavit se intermodové disperze, a proto jsou jednovidová vlákna řádově produktivnější. V tuto chvíli se používá jádro o vnějším průměru cca 8 mikronů. Stejně jako v případě vícevidových vláken se používá jak stupňovité, tak gradientní rozložení hustoty materiálu.

Druhá možnost je efektivnější. Single-mode technologie je tenčí, dražší a v současnosti se používá v telekomunikacích. Optické vlákno se používá v optických komunikačních linkách, které jsou lepší než elektronické komunikace v tom, že umožňují vysokorychlostní, bezztrátový přenos digitálních dat na obrovské vzdálenosti. Optická vlákna mohou buď tvořit novou síť, nebo sloužit ke spojení stávajících sítí - úseků optických vedení propojených fyzicky na úrovni vlákna, nebo logicky - na úrovni protokolů přenosu dat. Rychlost přenosu dat přes FOCL lze měřit ve stovkách gigabitů za sekundu. Již se dokončuje standard, který umožňuje přenos dat rychlostí 100 Gb/s a standard 10 Gb Ethernet se v moderních telekomunikačních strukturách používá již několik let.

Vícevidové vlákno

Ve vícevidovém optickém vláknu se může současně šířit velké množství módů – paprsků zaváděných do vlákna pod různými úhly. Multimódové optické vlákno má relativně velký průměr jádra (standardní hodnoty 50 a 62,5 µm) a tedy i velkou numerickou aperturu. Větší průměr jádra multimódového vlákna zjednodušuje vstřikování optického záření do vlákna a požadavky na měkčí toleranci pro multimódové vlákno snižují náklady na optické transceivery. V lokálních a domácích sítích malého rozsahu tedy dominuje multimódové vlákno.

Hlavní nevýhodou multimódového vlákna je přítomnost intermodové disperze, ke které dochází v důsledku skutečnosti, že různé módy vytvářejí ve vláknu různé optické dráhy. Pro snížení vlivu tohoto jevu bylo vyvinuto multimodové vlákno s gradientním indexem lomu, díky kterému se vidy ve vlákně šíří po parabolických trajektoriích a rozdíl v jejich optických drahách a následně i intermodová disperze je mnohem menší. . Avšak bez ohledu na to, jak vyrovnaná gradientní multimode vlákna jsou, jejich propustnost nelze srovnávat s jednovidovými technologiemi.

Transceivery z optických vláken

Aby bylo možné přenášet data optickými kanály, musí být signály převedeny z elektrické do optické formy, přeneseny po komunikační lince a poté převedeny zpět na elektrickou formu v přijímači. Tyto převody probíhají v transceiveru, který obsahuje elektronické součástky spolu s optickými součástkami.

Široce používaný v přenosové technice umožňuje multiplexor s časovým dělením zvýšit přenosovou rychlost až na 10 Gb/s. Moderní vysokorychlostní optické systémy nabízejí následující standardy přenosové rychlosti.

Nové metody vlnového dělení nebo spektrálního dělení umožňují zvýšit hustotu přenosu dat. Za tímto účelem je vícenásobné multiplexní informační toky posíláno přes jediný kanál optických vláken s využitím přenosu každého toku na různých vlnových délkách. Elektronické komponenty v přijímači a vysílači WDM se liší od komponent používaných v systému s časovým dělením.

Aplikace optických komunikačních linek

Optické vlákno se aktivně používá k budování městských, regionálních a federálních komunikačních sítí a také k uspořádání spojovacích linek mezi městskými automatickými telefonními ústřednami. To je způsobeno rychlostí, spolehlivostí a velkou šířkou pásma optických sítí. Prostřednictvím optických kanálů také existuje kabelová televize, vzdálené video sledování, videokonference a videovysílání, telemetrie a další informační systémy. V budoucnu se předpokládá, že optické sítě budou využívat převod řečových signálů na optické.

Komunikační linky z optických vláken

Komunikační linky z optických vláken

(FOCL), optické komunikační linky, ve kterých jsou informace přenášeny pomocí optických prvků. FOCL se skládá z vysílacích a přijímacích optických modulů, optických kabelů a optických konektorů. Optické vlákno je nejdokonalejším médiem pro přenos velkého množství informací na velké vzdálenosti. Je vyroben z oxidu křemičitého, který je založen na oxidu křemičitém, což je široce dostupný a levný materiál, na rozdíl od mědi používané v konvenčních drátech. Optické vlákno je velmi kompaktní a lehké, jeho průměr je pouze cca. 100 um. Vláknové světlovody jsou svazky optických vláken, na koncích lepené nebo slinuté, chráněné neprůhledným pláštěm a mající konce s leštěným povrchem. Skleněné vlákno je dielektrikum, takže při budování optických komunikačních systémů nemusí být jednotlivá optická vlákna od sebe izolována. Výdrž optického vlákna je až 25 .

Při vytváření optických komunikačních linek jsou zapotřebí vysoce spolehlivé elektronické prvky, které převádějí elektrické signály na světlo a světlo na elektrické signály, stejně jako optické konektory s nízkými optickými ztrátami. Instalace takových vedení proto vyžaduje drahé vybavení. Výhody použití optických komunikačních linek jsou však tak velké, že i přes vyjmenované nevýhody optických vláken jsou tyto komunikační linky stále více využívány pro přenos informací. Rychlost přenosu dat lze zvýšit přenosem informací ve dvou směrech najednou, protože světelné vlny se mohou šířit v jednom optickém vláknu nezávisle na sobě. To umožňuje zdvojnásobit šířku pásma optického komunikačního kanálu.

Komunikační linky z optických vláken jsou odolné vůči elektromagnetickému rušení a linky přenášené optickými vlákny jsou chráněny před neoprávněným přístupem. K takovým komunikačním linkám se nelze připojit, aniž by byla narušena integrita linky. Poprvé byl přenos signálu po optickém vláknu proveden v roce 1975. V dnešní době se rychle rozvíjejí systémy dálkové optické komunikace na vzdálenosti mnoha tisíc kilometrů. Úspěšně jsou provozovány transatlantické komunikační linky USA - Evropa, Pacifik linka USA - Havajské ostrovy - Japonsko. Probíhají práce na dokončení výstavby globální optické komunikační linky Japonsko-Singapur-Indie-Saúdská Arábie-Egypt-Itálie. V Rusku vytvořil TransTeleCom komunikační síť z optických vláken o délce více než 36 000 km. Je zálohován satelitními komunikačními kanály. V kon. 2001 Byla vytvořena jednotná páteřní digitální komunikační síť. Poskytuje služby dálkové a mezinárodní telefonní komunikace, internetu, kabelové televize v 56 z 89 regionů Ruska, kde žije 85-90 % obyvatel.

Encyklopedie "Technologie". - M.: Rosmane. 2006 .

Podívejte se, co jsou „komunikační linky z optických vláken“ v jiných slovnících:

Komunikační linka z optických vláken (FOCL) je systém z optických vláken sestávající z pasivních a aktivních prvků navržených pro přenos optického signálu přes optický kabel. Obsah 1 Prvky instalace FOCL 2 ... ... Wikipedie

optický komunikační systém- — [E.S. Alekseev, A.A. Mjačev. Anglický ruský vysvětlující slovník inženýrství počítačových systémů. Moskva 1993] optický komunikační systém Přenos modulované nebo nemodulované optické energie přes médium s optickými vlákny, ... ...

RD 45.047-99: Optická přenosová vedení na hlavních a intrazonálních primárních sítích VSS Ruska. Technický provoz. Vodící technický materiál- Terminologie RD 45.047 99: Optická přenosová vedení na páteřních a intrazonálních primárních sítích VSS Ruska. Technický provoz. Technický návod: 3.1.18 Parametry kvality "NEHODA" jsou mimo limity ... ... Slovník-příručka termínů normativní a technické dokumentace

optický kabel- Kabel obsahující jedno nebo více optických vláken a určený pro přenos dat. kabel z optických vláken [Luginsky Ya. N. et al. Anglický ruský slovník elektrotechniky a ... ... Technická příručka překladatele

adaptér z optických vláken- Pasivní zařízení používané k připojení optických zástrček a připojení optických vláken. [SN RK 3.02 17 2011] optický adaptér Komponenta spínacího zařízení určená k umístění a spojení dvou ... ... Technická příručka překladatele

optická linka- Soubor segmentů a opakovačů z optických vláken, které po připojení tvoří přenosovou cestu. [Zdroj] Témata optické spoje EN optické spoje ... Technická příručka překladatele

optický atenuátor- Součást instalovaná v přenosovém systému z optických vláken pro snížení výkonu optického signálu. Často se používá k omezení optického výkonu přijímaného fotodetektorem na meze citlivosti optického ... ... Technická příručka překladatele

- (FOCL), Komunikační linka z optických vláken (FOCL) je optický systém skládající se z pasivních a aktivních prvků, určený k přenosu informací v optickém (obvykle blízkém infračerveném) rozsahu. Obsah 1 ... Wikipedie

Zkontrolujte informace. Je nutné zkontrolovat správnost faktů a spolehlivost informací uvedených v tomto článku. Na diskusní stránce by měla být vysvětlení ... Wikipedie

Technika přenosu informací z jednoho místa na druhé ve formě elektrických signálů zasílaných po drátech, kabelech, optických vláknech nebo bez vodicích linek. Směrový přenos po drátech se obvykle provádí z jednoho ... ... Collierova encyklopedie

knihy

• Optické komunikační linky a jejich ochrana před vnějšími vlivy, Sokolov S.. Základní informace o fyzikálních základech, struktuře a použití optických vláken, principech a technologii přenosu optických signálů, konstrukci a provozu optických…

Linky s optickými vlákny se nazývají linky určené k přenosu informací v optickém rozsahu. Podle Sovětského informačního úřadu bylo na konci 80. let 20. století tempo růstu používání optických linek 40 %. Experti Unie předpokládali úplné odmítnutí některých zemí od měděného jádra. Sjezd rozhodl o 25% navýšení objemu komunikačních linek pro 12. pětiletku. Třináctý, určený také k vývoji vláknové optiky, zastihl rozpad SSSR, objevili se první mobilní operátoři. Mimochodem, prognóza odborníků ohledně růstu potřeby kvalifikovaného personálu selhala ...

Princip fungování

Jaké jsou důvody exploze popularity vysokofrekvenčních signálů? Moderní učebnice zmiňují snížení potřeby regenerace signálu, nákladů, zvýšení kapacity kanálu. Sovětští inženýři to zjistili a argumentovali jinak: měděný kabel, pancíř, obrazovka berou 50% světové produkce mědi, 25% - olovo. Nedostatečně známá skutečnost byla hlavním důvodem opuštění sponzorů Nikoly Tesly, projektu věže Vordencliffe (název byl dán jménem filantropa, který pozemek daroval). Známý srbský vědec chtěl bezdrátově přenášet informace, energii, čímž vyděsil mnoho místních majitelů měděných hutí. O 80 let později se obraz dramaticky změnil: lidé si uvědomili potřebu šetřit neželezné kovy.

Vlákno je vyrobeno ze... skla. Obyčejný silikát ochucený značným množstvím polymerů modifikujících vlastnosti. Sovětské učebnice, kromě uvedených důvodů popularity nové technologie, volají:

1. Nízký útlum signálů, který způsobil pokles potřeby regenerace.
2. Žádná jiskra, tudíž požární bezpečnost, nulové nebezpečí výbuchu.
3. Nemožnost zkratu, snížená potřeba údržby.
4. Necitlivé na elektromagnetické rušení.
5. Nízká hmotnost, relativně malé rozměry.

Zpočátku měly optické linky spojovat velké dálnice: mezi městy, předměstími, automatickými telefonními ústřednami. Sovětští experti nazvali kabelovou revoluci podobnou vzniku polovodičové elektroniky. Rozvoj technologií umožnil vybudovat sítě bez svodových proudů a přeslechů. Sto kilometrů dlouhý úsek postrádá aktivní metody regenerace signálu. Záliv jednovidového kabelu je obvykle 12 km, vícevidový - 4 km. Poslední míle je často pokryta mědí. Poskytovatelé jsou zvyklí věnovat koncové stránky jednotlivým uživatelům. Neexistují žádné vysoké rychlosti, levné transceivery, schopnost dodávat energii do zařízení současně, snadné použití lineárních režimů.

Vysílač

Typické beamformery jsou polovodičové LED, včetně pevnolátkových laserů. Šířka spektra signálu emitovaného typickým pn přechodem je 30-60 nm. Účinnost prvních polovodičových zařízení sotva dosahovala 1 %. Základem připojených LED je často struktura indium-gallium-arsen-fosfor. Vyzařováním nižší frekvence (1,3 µm) poskytují zařízení značné rozšíření spektra. Výsledný rozptyl výrazně omezuje datový tok (10-100 Mbps). Proto jsou LED diody vhodné pro budování místních síťových zdrojů (vzdálenost 2-3 km).

Frekvenční dělení s multiplexováním je provedeno vícefrekvenčními diodami. Dnes jsou nedokonalé polovodičové struktury aktivně nahrazovány vertikálními emitujícími lasery, které výrazně zlepšují spektrální charakteristiky. zvýšení rychlosti. Cena jedné objednávky. Technologie stimulované emise přináší mnohem vyšší výkony (stovky mW). Koherentní záření poskytuje účinnost jednovidových vedení 50 %. Účinek chromatické disperze je snížen, což umožňuje vyšší přenosové rychlosti.

Krátká doba rekombinace náboje umožňuje snadno modulovat záření vysokými frekvencemi napájecího proudu. Kromě vertikálních používají:

1. Zpětnovazební lasery.
2. Fabryho-Perotovy rezonátory.

Vysoké bitové rychlosti dálkových komunikačních linek jsou dosaženy použitím externích modulátorů: elektroabsorpce, Mach-Zehnder interferometry. Externí systémy eliminují potřebu napájení cvrlikáním. Řezné spektrum diskrétního signálu je přenášeno dále. Kromě toho byly vyvinuty další techniky kódování nosičů:

• Kvadraturní klíčování fázovým posuvem.
• Ortogonální frekvenční multiplexování.
• Amplitudová kvadraturní modulace.

Postup je prováděn digitálními signálovými procesory. Staré metody kompenzovaly pouze lineární složku. Berenger vyjádřil modulátor v termínech Wien série, DAC a zesilovač modelované v zkrácené, časově nezávislé sérii Volterra. Khana navrhuje navíc použít polynomiální model vysílače. Pokaždé jsou koeficienty řady nalezeny pomocí architektury nepřímého učení. Dutel zaznamenal mnoho běžných variant. Fázová vzájemná korelace a kvadraturní pole napodobují nedokonalost synchronizačních systémů. Nelineární efekty jsou kompenzovány podobným způsobem.

Přijímače

Fotodetektor provádí inverzní přeměnu světla na elektřinu. Lví podíl polovodičových přijímačů využívá strukturu indium-gallium-arsen. Někdy jsou pin-fotodiody, lavina. Struktury kov-polovodič-kov jsou ideální pro zabudování regenerátorů, krátkovlnných multiplexerů. Optoelektrické převodníky jsou často doplněny o transimpedanční zesilovače, omezovače, které produkují digitální signál. Poté se procvičí obnova hodinových pulsů smyčkou fázového závěsu.

Prostup světla sklem: historie

Fenomén lomu, který umožňuje troposférickou komunikaci, studenti nemají rádi. Složité vzorce, nezajímavé příklady zabíjejí žákovu lásku k vědění. Myšlenka světlovodu se zrodila ve vzdálených 40. letech 19. století: Daniel Colladon, Jacques Babinet (Paříž) se pokusili vyšperkovat své vlastní přednášky lákavými vizuálními experimenty. Učitelé ve středověké Evropě byli špatně placeni, takže velký příliv studentů, kteří nosí peníze, vypadal jako vítaná vyhlídka. Lektoři lákali publikum všemi prostředky. Jistý John Tyndall využil nápadu o 12 let později, mnohem později vydal knihu (1870) pojednávající o zákonech optiky:

• Světlo prochází rozhraním vzduch-voda, je pozorován lom paprsku vzhledem ke kolmici. Pokud úhel tečnosti paprsku k ortogonální přímce překročí 48 stupňů, fotony přestanou opouštět kapalinu. Energie se zcela odráží zpět. Limita se nazývá mezní úhel média. Voda má 48 stupňů 27 minut, silikátové sklo 38 stupňů 41 minut, diamant 23 stupňů 42 minut.

Zrození 19. století přineslo lince Petersburg-Varšava světelný telegraf o délce 1200 km. Regenerace operátory zpráv byla prováděna každých 40 km. Zpráva pokračovala několik hodin, počasí a viditelnost překážely. Nástup rádiové komunikace nahradil staré metody. První optické linky pocházejí z konce 19. století. Novinka se lékařům líbila! Ohýbané skleněné vlákno umožnilo prosvětlit jakékoliv dutiny lidského těla. Historici nabízejí následující časovou osu vývoje událostí:

V myšlence Henryho St. Rene pokračovali osadníci Nového světa (20. léta 20. století), kteří se rozhodli zlepšit televizi. Průkopníky se stali Clarence Hansell, John Logie Baird. O deset let později (1930) student medicíny Heinrich Lamm prokázal možnost přenosu obrazu pomocí skleněných vodítek. Hledač poznání se rozhodl prozkoumat vnitřnosti těla. Kvalita obrazu byla chabá, pokus o získání britského patentu selhal.

Zrození vlákniny

Nezávisle na tom holandský vědec Abraham van Heel, Brit Harold Hopkins, Narinder Singh Kapani vynalezli (1954) vlákno. Předností prvního je nápad pokrýt centrální jádro průhledným pláštěm, který měl nízký index lomu (blízko vzduchu). Povrchová ochrana proti poškrábání výrazně zlepšila kvalitu přenosu (současníci vynálezců viděli hlavní překážku použití vláknových vedení ve vysokých ztrátách). Významně přispěli i Britové, kteří nasbírali svazek vláken o 10 000 kusech, přenášející obraz na vzdálenost 75 cm.Poznámku „Flexibilní fibroskop využívající statické skenování“ ozdobil časopis Nature (1954).

To je zajímavé! Narinder Singh Kapani razil termín skleněné vlákno v článku v American Science (1960).

Rok 1956 přinesl světu nový flexibilní gastroskop od Basila Hirshovitz, Wilbur Peters, Lawrence Curtiss (University of Michigan). Zvláštností Noviki byl skleněný plášť vláken. Elias Snitzer (1961) zveřejnil myšlenku jednovidového vlákna. Tak tenký, že se dovnitř vešla jen jedna skvrna interferenčního vzoru. Nápad pomohl lékařům prozkoumat vnitřnosti (živého) člověka. Ztráta byla 1 dB/m. Potřeby komunikace se rozšířily mnohem dále. Bylo požadováno dosažení prahu 10-20 dB/km.

Rok 1964 je považován za přelomový: Dr. Kao zveřejnil zásadní specifikaci, která představuje teoretické základy komunikace na dálku. Dokument aktivně využíval výše uvedený obrázek. Vědec dokázal, že sklo nejvyššího stupně čištění pomůže snížit ztráty. Německý fyzik (1965) Manfred Börner (Telefunken Research Labs, Ulm) představil první funkční telekomunikační linku. NASA okamžitě předala měsíční snímky pomocí novinek (vývoj byl tajný). O několik let později (1970) podali tři zaměstnanci Corning Glass (viz začátek tématu) patent implementující technologický cyklus tavení oxidu křemíku. Předsednictvo text hodnotilo tři roky. Nové jádro zvýšilo kapacitu kanálu 65 000krát ve srovnání s měděným kabelem. Tým doktora Caa se okamžitě pokusil překonat značnou vzdálenost.

To je zajímavé! O 45 let později (2009) byl Kao oceněn Nobelovou cenou za fyziku.

Vojenské počítače (1975) americké protivzdušné obrany (sekce NORAD, Cheyenne Mountains) obdržely nové komunikace. Optický internet se objevil dávno před osobními počítači! O dva roky později zkušební provoz 1,5 míle dlouhé telefonní linky (předměstí Chicaga) úspěšně přenesl 672 hlasových kanálů. Skláři pracovali neúnavně: počátek 80. let přinesl nástup vláken s útlumem 4 dB/km. Oxid křemíku byl nahrazen jiným polovodičem – germaniem.

Rychlost výroby kvalitního kabelu technologickou linkou byla 2 m/s. Chemie Thomas Mensah vyvinul technologii, která zvýšila limit dvacetkrát. Novinka konečně zlevnila než měděný kabel. Co následuje, je nastíněno výše: došlo k prudkému nárůstu zavádění nové technologie. Rozteč opakovačů byl 70-150 km. Vláknový zesilovač dopovaný ionty Erbia dramaticky snížil náklady na výstavbu vedení. Časy třinácté pětiletky přinesly planetě 25 milionů kilometrů optických sítí.

Nový impuls k vývoji dal vynález fotonických krystalů. První komerční modely přinesl rok 2000. Periodicita struktur umožnila výrazně zvýšit výkon, vláknový design byl flexibilně upraven podle frekvence. V roce 2012 dosáhla společnost Nippon Telegraph and Telephone Company rychlosti 1 petabit/s na vzdálenost 50 km s jedním vláknem.

vojenský průmysl

Příběh pochodu amerického vojenského průmyslu, publikovaný v Monmouth Message, je autenticky známý. V roce 1958 informoval vedoucí kabelů ve Fort Monmouth (Laboratoře Signal Corps of the United States Army) o nebezpečí blesků a srážek. Úředník znepokojil výzkumníka Sama De Vita a požádal ho, aby našel náhradu za zelenou měď. Odpověď obsahovala návrh vyzkoušet sklo, vlákno, světelné signály. Tehdejší inženýři strýčka Sama však nebyli schopni problém vyřešit.

V horkém září 1959 se Di Vita zeptal poručíka 2. hodnosti Richarda Sturzebechera, zda zná vzorec pro sklo schopné přenášet optický signál. Odpověď obsahovala informace týkající se oxidu křemičitého - vzorku na Alfred University. Při měření indexu lomu materiálů mikroskopem Richarda rozbolela hlava. 60-70% skleněného prášku volně propouští zářivé světlo a dráždí oči. S ohledem na potřebu získat nejčistší sklo studoval Sturzebecher moderní výrobní metody s použitím chloridu křemičitého IV. Di Vita shledal materiál vhodný a rozhodl se nechat vládu vyjednávat s Corningovými skláři.

Úředník pracovníky dobře znal, ale rozhodl se případ zveřejnit, aby závod získal státní zakázku. V letech 1961 až 1962 myšlenku použití čistého oxidu křemíku převzaly výzkumné laboratoře. Federální prostředky činily asi 1 milion dolarů (interval 1963-1970). Program skončil (1985) s rozvojem odvětví optických kabelů v hodnotě mnoha miliard dolarů, které začalo rychle nahrazovat měď. Di Vita zůstal jako průmyslový konzultant a dožil se 97 let (rok úmrtí 2010).

Různé druhy kabelů

Tvar kabelu:

1. Jádro.
2. Shell.
3. Ochranný kryt.

Vlákno implementuje úplný odraz signálu. Materiálem prvních dvou komponentů je tradičně sklo. Někdy najdou levnou náhradu - polymer. Optické kabely jsou kombinovány fúzí. Zarovnání jádra bude vyžadovat dovednost. Multimode kabel o tloušťce přes 50 mikronů se snadněji páje. Tyto dvě globální odrůdy se liší v počtu modů:

• Multimode je vybaven tlustým jádrem (přes 50 mikronů).
• Single-mode je mnohem tenčí (méně než 10 mikronů).

Paradox: menší kabel zajišťuje komunikaci na velkou vzdálenost. Náklady na čtyřjádrový transatlantický systém jsou 300 milionů dolarů. Jádro je pokryto polymerem odolným vůči světlu. Časopis New Scientist (2013) publikoval experimenty vědecké skupiny University of Southampton, pokrývající dosah 310 metrů ... s vlnovodem! Pasivní dielektrický prvek vykazoval rychlost 77,3 Tbps. Stěny duté trubice jsou tvořeny fotonickým krystalem. Informační tok se pohyboval rychlostí 99,7 % světla.

Vlákno fotonického krystalu

Nový druh kabelu tvoří sada trubiček, konfigurace připomíná zaoblenou voštinu. Fotonické krystaly připomínají přírodní perleť a vytvářejí periodické konformace, které se liší indexem lomu. Některé vlnové délky jsou uvnitř takových trubic zeslabeny. Kabel ukazuje šířku pásma, paprsek procházející Braggovým lomem se odráží. Díky přítomnosti zakázaných pásem se koherentní signál pohybuje podél vlákna.

První návrh Ye a Yariva (1978) je reprezentován dvěma nebo více soustřednými vrstvami různých materiálů. Návrhy jsou neustále aktualizovány o nové pohledy. Russell (1996, autor termínu fotonicko-krystalové vlákno) představil voštinovou sadu vláken, o dva roky později uhodli nahradit jádro dutinou. Dosažený útlum je působivý:

1. Dutina - 1,2 dB / km.
2. Solid - 0,37 dB / km.

Technologie výroby je podobná tradiční. Postupně se vytahuje poměrně silný obrobek. Vlasy jsou dlouhé kilometry. Materiály jsou ve fázi výzkumu.

Frekvence

Rychlost, dosah přenosu jsou omezeny účinky rozptylu, útlumu. Vědci našli vlnové délky, které minimalizují nedokonalosti. Tvoří se několik oken používaných telekomunikacemi:

1. O - 1260 až 1360 nm.
2. E - 1360 až 1460 nm.
3. S - 1460 až 1530 nm.
4. C - 1530 až 1565 nm.
5. L - 1565 až 1625 nm.
6. U - 1625 až 1675 nm.

Okna jsou průběžná, stávající komunikační systémy se mohou skládat ze dvou nebo tří současně. Historicky první mezera (800-900 nm) byla dnes odstraněna, protože se ukázalo, že ztráty byly příliš vysoké. Okna O, E se vyznačují nulovým rozptylem. Častěji se používají S, C, což demonstruje výhody minimálního útlumu (maximální přenosová vzdálenost).