Что такое волс. Волоконно-оптические линии связи - технологии будущего

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 ВОЛС (волоконно-оптические линии связи) для передачи сигнала используются волны в оптическом диапазоне (чаще всего — в ближнем инфракрасном). Основной составляющей при этом является оптический кабель, а в сеть кроме него входят активные и пассивные компоненты для усиления, фильтрации, защиты и модификации сигнала.

Применение ВОЛС

На сегодняшний день ВОЛС (ВОЛП) постепенно вытесняют традиционную кабельную проводку, поскольку отличаются намного лучшими характеристиками, в частности, большей пропускной способностью, невосприимчивостью к воздействию окружающей среды, меньшим затуханием сигнала и др.

Основной сферой применения ВОЛС являются сети передачи информационных сигналов (вычислительные сети, видеонаблюдения, телекоммуникационные системы контроля доступа и др.).

При этом на уровне магистральных (вплоть до межконтинентальных) линий передачи сигналов оптоволокно занимает уже сейчас доминирующее положение, тогда как в подсистемах внутренних магистралей ВОЛП используется наряду с витой парой.

Характеристики типов оптического волокна

Сравнение типов оптических кабелей (для увеличения изображения — ):

Главные преимущества ВОЛС

1. Малое затухание сигнала (порядка 0,15 дБ/км в 3-м окне прозрачности). Это даёт возможность транслировать информацию на существенно большие дистанции относительно традиционной проводки без применения усилителей. Для оптических линий усилители обычно устанавливаются через 40-120 км, что определяется классом оконечного оборудования;
2. малый вес и габариты;
3. высокий уровень экранированности линий от межволоконных влияний (более 100 дБ).
   

   Таким образом, излучение соседних линий практически не взаимодействует между собой и не оказывает взаимного влияния;

4. высокая взрыво- и пожаробезопасность в ситуациях изменения химических или физических параметров;
5. информационная безопасность. Через оптоволокно информация транслируется из точки в точку, причём перехватить или подслушать сигнал возможно исключительно при физическом вмешательстве в ;
6. оптические волокна обладают высокой надёжностью и долговечностью. Оптические волокна не подвержены окислению, слабому электромагнитному воздействию и разрушению под действием влаги;
7. высокая пропускная способность. Другие способы передачи информации отстают по этому показателю от оптической среды.

Недостатки ВОЛС

1. низкая устойчивость стандартного волокна против радиационного излучения (есть легированные волокна, отличающиеся большой радиационной устойчивостью);
2. большая стоимость оптического оконечного оборудования сравнительно с системами, применяемыми для традиционных линий. Хотя если сравнивать с конечной стоимостью по соотношению затраты на дистанцию и пропускную способность, то оптоволокно сегодня показывает самые лучшие результаты относительно конкурирующих систем;
3. сложность восстановления связи в случаях обрыва линии;
4. сложность преобразования сигнала (для интерфейсного оборудования);
5. сложная технология изготовления волокна, а также других компонентов сети ВОЛС;
6. хрупкость волокна. При значительных деформациях, например, изгибах, волокна могут разрушаться, подвергаться трещинообразованию и замутнению.
   

   Чтобы избежать повреждений волокна, требуется соблюдать рекомендации производителя, где указан среди прочего минимальный радиус изгиба.

В настоящее время в качестве оптических линий связи используют:

а) волоконно-оптические линии связи (ВОЛС);

б) оптические линии связи с использованием лазерной “пушки”;

в) оптические линии связи с использованием инфракрасных излучателей и приемников;

г) оптические линии связи с использованием кремнийорганического оптического волокна.

Структурная схема волоконно-оптической линии связи приведена на рис.4.2.

Рис.4.2. Структурная схема ВОЛС.

Электрический сигнал поступает на передатчик – трансивер, который преобразует электрический сигнал в световой импульс, который 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 – изготовителем.

Волоконно-оптические линии связи имеют следующие достоинства:

1. Высокая помехозащищенность от внешних электромагнитных помех и от межканальных взаимонаводок.

2. Широкий диапазон рабочих частот позволяет по такой линии связи можно передавать информацию со скоростью 10 12 бит/с = Тбит/c.

3. Защищенность от несанкционированного доступа: излучения в окружающее пространство ВОЛС почти не дает, а изготовление отводов оптической энергии без разрушения кабеля практически не возможно. А всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы с помощью мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии.

4. Возможность скрытой передачи информации.

5. Потенциально низкая стоимость, обусловленная 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. Относительно малая долговечность. Время жизни + сохранение им своих свойств в определенных допустимых пределах – оптического кабеля 25 лет. Заметим, что до настоящего времени в Москве эксплуатируются телефонные линии проложенные в начале века (см. Hard & Soft,1998,N11).

4. Оптические кабели не стойки к воздействию радиации.

Основу ВОЛС составляют оптические кабели, изготавливаемые из отдельных световодов – оптических волокон.

Передача оптической энергии по оптическому волокну обеспечивается с помощью эффекта полного внутреннего отражения. Оптическое волокно представляет собой двухслойный цилиндрический световод (рис.4.3.)

Рис.4.3. Распространение излучения и изменение и изменение показателя преломления в оптоволокне

Материал внутренней жилы имеет показатель преломления n 1 , а материал внешнего слоя n 2 , при этом n 1 >n 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 A 0 =sin y 0 =.

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

Излучение распространяется вдоль световода и в том случае, если уменьшение показателя преломления от центра к краю происходит не ступенчато, а постепенно. В таких световодах лучи, входящие в торец, преломляясь, фокусируются вблизи осевой линии (см.рис.4.4).

Рис.4.4. Распространение излучения и изменение показателя преломления в селфоке.

Любой отрезок такого световода действует как короткофокусная линза, вызывая эффект самофокусировки.

Эти световоды называют селфоками (self – сам, focus – фокус).

Промышленность многих стран освоила выпуск широкой номенклатуры изделий и компонентов ВОЛС. Следует заметить, что производство оптического волокна сосредоточено в основном в США. Для передачи сигналов применяются два вида оптоволокна: одномодовое и многомодовое. В одномодовом волокне световодная жила имеет диаметр 8-10 мкм. В многомодовом волокне диаметр световодной жилы составляет 50-60 мкм.

Оптоволокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией.

Количественно затухание определяется по формуле

Pвх – мощность входного оптического сигнала;

Pвых – мощность выходного оптического сигнала;

l – длина световода.

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

Затухание определяется потерями на поглощение и рассеяние излучения в оптоволокне. Потери на поглощение зависят от частоты материала, а потери на рассеяние – от неоднородности его показателей преломления. Зависит затухание и от длины волны излучения, вводимого в оптоволокно. В настоящее время передача сигналов по волокну осуществляется в трех диапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность. Оптоволокно характеризуется очень малым затуханием. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0.22 дБ/км при длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Оптоволокно фирмы Sumitoto (Япония) имеет затухание 0.154 дБ/км при длине волны 1.55мкм. Имеются сообщения о разработке так называемых фторцирконатных оптоволокон с затуханием порядка 0.02 дБ/км, что позволит обеспечить скорость передачи порядка 1 Гбит/с с регенераторами через 4600 км.

Дисперсия, т.е. зависимость скорости распространения сигнала от длины волны излучения, - другой 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.

Величина затухания и дисперсии различаются для разных типов оптических волокон.

Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и полосе пропускания. Однако одномодовые источники излучения (диодные лазеры, работающие на длине волны 1.55 мкм) в несколько раз дороже многомодовых (светоизлучающий диод, функционирующий на длине волны 0.85 мкм). Сращивание одномодовых волокон, монтаж оптических разъемов на концах одномодовых кабелей обходится дороже. Однако полоса пропускания многомодовых волокон достигает 1000 МГц * км, что приемлемо только для локальных сетей связи.

Для связи приемника и передатчика используется волоконно-оптический кабель (ВОК), в котором оптические волокна дополняются элементами повышающими эластичность и прочность кабеля.

Основными показателями ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность.

Связь корректирующей способности кода с кодовым расстоянием

Степень различия любых двух кодовых комбинаций характеризуется расстоянием между ними по Хэммингу или просто кодовым расстоянием .

Расстояние Хэмминга d выражается числом позиций, в которых кодовые комбинации отличаются одна от другой.

Пример 1. Найти расстояние Хэмминга d между кодовыми комбинациями 10101011 и 11111011.

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.

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

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

Рис. 1. Схема простейшей оптоволоконной системы передачи информации

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

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

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

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

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

Оптические передатчики

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

Рис. 2. Основные методы модуляции светового потока

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис 4. Различные методы оптической передачи аналоговой
и цифровой информации

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

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

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

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

Световоды

Ввод света в оптическое волокно

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

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

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

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

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

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

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

Типы оптического волокна

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

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

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

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

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

Потери в оптическом волокне

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

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

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

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

Полоса пропускания оптоволокна

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

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

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

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

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

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

Конструкция оптоволоконного кабеля

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

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

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

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

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

Рис. 7. Устройство стандартного оптоволоконного кабеля

Другие типы световодов

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

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

Оптические соединители

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

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

Рис. 8. Конструкция разъема SMA

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

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

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

Рис. 9. Основные элементы разъема ST

Неразъемные соединения световодов

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

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

Оптические приемники

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 10. Простейший аналоговый оптический приемник

Рис. 11. Простейший цифровой оптический приемник

Разработка оптоволоконной системы

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

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

При инженерной разработке оптоволоконной системы рекомендуется использовать следующую пошаговую процедуру:

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

Контрольный перечень параметров, необходимых для разработки оптоволоконной системы передачи данных

Назначение (краткое описание задачи):
Параметры аналогового сигнала:
Входное напряжение
Входной импеданс
Выходное напряжение
Выходной импеданс
Отношение сигнал/шум
Полоса пропускания
Разъемы
Другие данные
Параметры цифрового сигнала:
Тип интерфейса (RS-232, 422, 485 и т.п.)
Скорость передачи данных
Способ связи (по постоянному или переменному току)
Допустимая частота битовых ошибок
Разъемы
Другие данные
Требования к источнику питания:
Напряжение
Ток
Переменное или постоянное напряжение
Разъемы
Другие данные

Требования к оптоволоконной линии:
Длина линии
Длина волны света
Допустимые потери
Оптические разъемы
Тип оптоволокна
Диаметр оптоволокна
Условия монтажа
Общие требования:
Размер корпуса
Способ монтажа
Характеристики окружающей среды
Диапазон рабочих температур
Диапазон температур хранения
Другие данные
Дополнительные комментарии: