Введение в технику волоконно-оптических сетей. Волоконно-оптические линии связи (волс) на вл

Первая в стране волоконно-оптическая линия связи построена в 1986 году на Октябрьской железной дороге. Для передачи информации используются световые волны с длиной - 0,50 мкм; 1,3 мкм; 1,55 мкм (мкм - микрометр).

Зависимость затухания от длин волны:

В окнах прозрачности удельное ослабление падает до ничтожной величины порядка - 0,1 дБ/км. Это значение во много раз ниже, чем для медных соединительных линий. Поэтому, одно их главных преимуществ волоконно-оптической линии связи является большая длина участков регенерации, то есть расстояние между усилительными станциями.

АС - аппаратура связи;

Э/О - электронно-оптический преобразователь;

О/Э - оптоэлектронный преобразователь;

Рг - регенератор;

ОВ - оптоволокно.

В качестве электронно-оптических преобразователей используются светодиоды и фотодиоды, полупроводниковые лазеры и другие оптические излучатели и приемники. В качестве регенератора полупроводниковые оптические усилители, так называемые мазеры. Длина участков регенерации может составлять 10 - 100 км, что является важным преимуществом волоконно-оптических линий.

Оптоволокно (ОВ) и его типы

Модой или сигналом, распространяющимся по оптоволокну, называется геометрический путь сигнала в оптоволокне с его пространственными характеристиками.

Любое оптоволокно имеет сердцевину и оболочку, причем оптическая плотность сердцевины ниже, чем оптическая плотность оболочки.

О - оболочка; С - сердцевина; D - диаметр оболочки; d - диаметр сердцевины.

Ступенчатое оптоволокно характеризуется: диаметр оболочки составляет сотни мкм (100 мкм), диаметр сердцевины составляет несколько десятков мкм (10 мкм). Число мод (М) может составлять несколько тысяч единиц.

Данный тип оптоволокна характеризуется сравнительно высоким затуханием, большой дисперсией сигнала и низкой пропускной способностью, в основном используется при длине волны 0,5 мкм.

Градиентное оптоволокно характеризуется: диаметр оболочки составляет сотни мкм (D = 100 мкм), диаметр сердцевины составляет (d = 5 - 10 мкм). Число мод (М) составляет 10 - 100 единиц.

За счет уменьшения числа мод уменьшается частотная дисперсия, увеличивается пропускная способность и уменьшается затухание сигнала. Данный тип оптоволокна используется при длине волны 1,3 мкм и 1,55 мкм.

Характеристики одномодового оптоволокна: диаметр оболочки составляет примерно сотни мкм (D = 100 мкм), диаметр сердцевины (d = n 1 мкм). Число мод (М) составляет несколько единиц.

Одномодовое оптоволокно работает при длине волны 1,55 мкм, имеет наименьшую частоту дисперсии, минимально возможное затухание и наибольшую полосу передаваемых частот (пропускную способность). Именно данный тип оптоволокна считается самым современным из всех остальных.

Конструкция и прокладка волоконно-оптических кабелей (ВОК)

1 - защитная оболочка из полиэтилена;

2 - стальной трос, выполняет роль несущей части;

3 - группа отдельных оптоволокон, обычно 4, 6, 8, 12;

Внутри защитной оболочки, а также между оптоволокнами находится гель - это специально незамерзающая и незагустевающая масса консистенции густой сметаны, он защищает отдельные волокна от повреждений при деформации волоконно-оптического кабеля. При эксплуатации системы часть оптоволокон в кабеле остаются резервными и используются в дальнейшем при выходе, каких либо оптоволокон из строя.

Каждое оптоволокно способно передавать сотни мегабит, и даже единицы гигабитов в секунду. Общая пропускная способность волоконно-оптического кабеля очень высокая и, как правило, превышает реальные потребности практики.

Основные параметры волоконно-оптического кабеля:

• число оптоволокон - N;
• удельное затухание в (дБ/км);
• максимальное допустимое усилие растяжения - Р (Н/м);
• диапазон рабочих температур: для Европы, США, Японии - (-50 о С - +50 о С), для России (-60 о С - +50 о С);
• минимальный радиус изгиба

Способы прокладки волоконно-оптического кабеля

1. Волоконно-оптический кабель прокладывается в земляных траншеях на глубине превышающей глубину замерзания почв (в Сибири > 2 м).

2. Волоконно-оптический кабель прокладывают вместе с линиями электропередач (ЛЭП):

При этом заземляющий трос заменяют на волоконно-оптический кабель, и он выполняет одновременно две функции: передача информации и как заземление.

На железнодорожном транспорте преимущественно используется 2-й способ прокладки с применением существующих ЛЭП.

В волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) информация передается электромагнитными волнами высокой частоты, около 200 ТГц, что соответствует ближнему инфракрасному диапазону оптического спектра 1500 нм. Волноводом, переносящим информационные сигналы в ВОСП, является оптическое волокно (ОВ), которое обладает важной способностью передавать световое излучение на большие расстояния с малыми потерями. Потери в ОВ количественно характеризуются затуханием. Скорость и дальность передачи информации определяются искажением оптических сигналов из-за дисперсии и затухания. Волоконно-оптическая сеть - это информационная сеть, связующими элементами между узлами которой являются волоконно-оптические линии связи. Технологии волоконно-оптических сетей помимо вопросов волоконной оптики охватывают также вопросы, касающиеся электронного передающего оборудования, его стандартизации, протоколов передачи, вопросы топологии сети и общие вопросы построения сетей.

Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам:

• - широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей Гц. Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка бит/с (1Тбит/с). Говоря другими словами, по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут;
• - очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в оптическом волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0,22 дБ/км на длине волны 1,55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1,55 мкм имеет затухание 0,154 дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более «прозрачные», так называемые фторцирконатные оптические волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2,5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с;
• - ОВ изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди;
• - оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм, то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике;
• - так как оптические волокна являются диэлектриками, следовательно, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов. В оптической системе они электрически полностью изолированы друг от друга, и многие проблемы, связанные с заземлением и снятием потенциалов, которые до сих пор возникали при соединении электрических кабелей, теряют свою актуальность. Применяя особо прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах существующих линий электропередач, как отдельно, так и встроенные в фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие преграды;
• - системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на ОВ могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии;
• - важное свойство оптического волокна - долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить волоконно-оптический кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие.

Но существуют также некоторые недостатки волоконно-оптических технологий:

• - при создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет, и свет в электрические сигналы. Для соединения ОВ с приемо-передающим оборудованием используются оптические коннекторы (соединители), которые должны обладать малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Погрешности при изготовлении таких элементов линии связи должны быть порядка доли микрона, т.е. соответствовать длине волны излучения. Поэтому производство этих компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее;
• - другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование.

Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.

Преимущества от применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) настолько значительны, что, несмотря, на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации.

Не все еще знают, что такое ВОЛС. В оптических линиях связи световой сигнал транспортируется внутри волокон. Оптическо - волоконная система связи обеспечивает соединение для передачи информации между двумя точками.

Эти компоненты служат основой любой волоконной оптики, начиная с простой одноканальной системы. Но существуют и более сложные системы, которые профессионально прокладывают и монтируют специалисты специлизированных компаний, обладающие профессиональным оборудованием и рядом сертификатов из https://kabelnieseti.ru/services/volokonno-opticheskie-linii-svyazi/ . Передаваемая информация является цифровой (в большинстве случаев), что делает оптоволоконную систему очень универсальной и относительно нечувствительной, например, для нелинейных искажений. Чтобы разобраться, что такое волоконно-оптические линии связи, разберем основные понятия.

Существуют различные форматы модуляции, то есть разные методы кодирования информации. Например, простой, без возврата к 0 (NRZ), формат передает последующие биты, отсылая сигналы либо высокой, либо низкой оптической мощности, без пробелов между соседними битами, и дополнительными средствами для синхронизации. В противоположность этому, формат нулевого возврата (RZ) легко самосинхронизируется путём возврата к состоянию покоя после каждого бита, но он требует более высокой оптической передачи полосы пропускания для тех же скоростей передачи данных.

Помимо деталей оборудования и оптической пропускной способности, связанной с эффективностью модуляции, форматы передачи также различаются с точки зрения их чувствительности к альтернативному шуму и перекрестным наводкам.

Передатчик сигналов ВОЛС

Передатчик преобразует электронный входной сигнал в модулированный световой пучок. Информация может быть закодирована например, через:

• оптическую мощность (интенсивность),
• оптическую фазу,
• поляризацию;

Модуляция интенсивности является наиболее распространенным вариантом. Оптическая длина волны формируется, как правило, в одном из так называемых телекоммуникационных окон. Типичный передатчик основан на одномодовом лазерном диоде (обычно VCSEL или DFB), который может быть либо непосредственно модулированным с помощью тока DML (= непосредственно модулированный лазер), или с помощью внешнего оптического модулятора.

Прямая модуляция является более простым вариантом, и может работать на скоростях передачи сигналов до 10 Гбит/сек или даже выше. Тем не менее, варьируется плотность носителей в лазерном диоде, а затем приводится к той или иной мгновенной частоте таким образом, чтобы искажения сигнала были в виде частотной модуляции. Это делает сигнал более чувствительным к влиянию хроматической дисперсии при передаче на большие расстояния. Таким образом, внешняя модуляция обычно предпочтительна для комбинации высокоскоростной передачи данных (например, от 10 до 40 Гбит/сек) с большими расстояниями передачи (много километров). Лазер может работать безостановочно, и искажения сигнала сводятся к минимуму.

Для получения еще более высокоскоростной передачи сигналов в 1-канальных системах, мультиплексирование с временным делением каналов может использоваться в системах с четырьмя каналами по 40 Гбит/сек, каждый из которых используется с чередованием по времени таким образом, чтобы получить суммарную скорость 160 Гбит/сек. Но это технологии будущего. Для получения высокоскоростной передачи данных с форматами возврата к нулю, может быть выгодно использовать импульсный источник (например, лазер, излучающий солитонные импульсы) в сочетании с модулятором интенсивности. Это снижает уровень требований к пропускной способности модулятора, так как коэффициент пропускания модулятора эволюционирует между импульсами.

Для получения высокоскоростной передачи данных, передатчик должен отвечать ряду требований. Важно достичь высокого коэффициента экстинкции, должен быть низкий джиттер синхронизации, низкий уровень шума интенсивности и точно контролируемая тактовая частота. Конечно, передатчик данных должен работать стабильно и надежно с минимальным вмешательством оператора.

Оптическое волокно

1-модовые волокна применяются в случае передачи сигналов на средние или большие расстояния, но система может быть и с многомодовым волокном на коротких расстояния. В последнем случае, межмодовая дисперсия может ограничить дальность или скорость передачи. Так называемые дуплексные каналы обеспечивают соединение для передачи данных в обоих направлениях.

Каналы широкополосного волокна могут содержать волокна с усилителями в определенных точках (сосредоточенными усилителями), чтобы предотвратить уровень мощности от падения до слишком низкого уровня. В качестве альтернативы, можно использовать распределенный усилитель, реализованный с самого передающего волокна, путем впрыскивания дополнительного мощного пучка накачки (как правило, в конце приемника).

Могут использоваться средства для компенсации дисперсии (противодействующие хроматической дисперсии волокна эффекты), а также для регенерации сигнала. Последнее означает, что не только уровень мощности, но и качество сигнала (например, длительность импульса и времени) восстанавливаются. Это достижимо либо с обработкой самого оптического сигнала, либо путем обнаружения сигнала в электронном виде, применения некоторой оптической обработки сигналов, и повторной передачи. Таковы основные принципы работы волоконно-оптические линии связи.

Что такое приёмник ВОЛС?

Приемник содержит некоторый тип быстрого фотодетектора, как правило, это фотодиод и подходящая высокоскоростная электроника для усиления слабого сигнала и извлечения цифровых данных. Лавинные фотодиоды могут использоваться для особо высокой чувствительности. Чувствительность приемника ограничена шумом, как правило, электронного происхождения. Однако следует отметить, что сам по себе оптический сигнал сопровождается оптическим шумом, например, от усилителя. Такой оптический шум вводит ограничения, которые не могут быть удалены с помощью какой-то особой конструкции приемника.

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.

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.