Оптоволоконные линии связи. Что такое волс

Введение

Сегодня связь играет важную роль в нашем мире. И если ранее для передачи информации использовались медные кабели и провода, то теперь наступило время оптических технологий и оптоволоконных кабелей. Сейчас, совершая звонок по телефону на другой конец света (например, из России в Америку) или же загружая из интернета любимую мелодию, которая лежит на сайте где-нибудь в Австралии, мы даже не задумываемся, каким образом нам удаётся это сделать. А происходит это благодаря применению оптоволоконных кабелей. Для того чтобы соединить людей, сделать их ближе друг к другу или же к желаемому источнику информации, приходится соединять континенты. В настоящее время обмен информацией между континентами осуществляется главным образом через подводные оптоволоконные кабели. В настоящее время волоконно-оптические кабели проложены по дну Тихого и Атлантического океанов и практически весь мир "опутан" сетью волоконных систем связи (Laser Mag.-1993.-№3; Laser Focus World.-1992.-28, №12; Telecom. mag.-1993.-№25; AEU: J. Asia Electron. Union.-1992.-№5). Европейские страны через Атлантику связаны волоконными линиями связи с Америкой. США, через Гавайские острова и остров Гуам - с Японией, Новой Зеландией и Австралией. Волоконно-оптическая линия связи соединяет Японию и Корею с Дальним Востоком России. На западе Россия связана с европейскими странами Петербург - Кингисепп - Дания и С.-Петербург - Выборг - Финляндия, на юге - с азиатскими странами Новороссийск - Турция. При этом главной движущей силой развития оптоволоконных линий связи является Интернет.

Оптоволоконные сети безусловно являются одним из самых перспективных направлений в области связи. Пропускные способности оптических каналов на порядки выше, чем у информационных линий на основе медного кабеля.

Оптическое волокно считается самой совершенной средой для передачи больших потоков информации на большие расстояния. Оно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния - широко распространенного и недорогого материала, в отличие от меди. Оптическое волокно очень компактное и легкое, оно имеет диаметр всего около 100 мкм.

Кроме того оптоволокно невосприимчиво к электромагнитным полям, что снимает некоторые типичные проблемы медных систем связи. Оптические сети способны передавать сигнал на большие расстояния с меньшими потерями. Не смотря на то, что эта технология все еще остается дорогостоящей цены на оптические компоненты постоянно падают, в то время как возможности медных линий приближаются к своим предельным значениям и требуют все больше затрат на дальнейшее развитие этого направления.

Мне кажется, тема волоконно-оптических линий связи в настоящее время является актуальной, перспективной и интересной для рассмотрения. Именно поэтому я выбираю ее для своей курсовой работы и считаю, то за ВОЛС будущее.

1. История создания

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. 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.

Изобретение в 1970 году специалистами компании Corning оптоволокна 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.

Е Первые широкомасштабные эксперименты связанные с появлением стандарта FDDI. Эти сети первого поколения работают до сих пор.

Е Массовое использование волоконной оптики, связанное с производством более дешевых комплектующих. Темпы роста волоконно-оптических сетей носят взрывной характер.

Е Рост скоростей передачи информации, появление технологий волнового уплотнения (WDM, DWDM)/ Новые типы волокон.

2. Волоконно-оптические линии связи как понятие

1 Оптическое волокно и его виды

Волокно-оптическая линия связи (ВОЛС) - это вид системы передачи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известных под названием «оптическое волокно». Так что же это такое?

Оптическое волокно - чрезвычайно тонкий стеклянный цилиндр, называемый жилой (core), покрытый слоем стекла (Рис.1), называемого оболочкой, с иным, чем у жилы, коэффициентом преломления. Волокно характеризуется диаметрами этих областей - например, 50/125 означает волокно с диаметром сердцевины 50 мкм и внешним диаметром оболочки 125 мкм.

Рис.1 Структура оптоволокна

Свет распространяется по сердцевине волокна за счёт последовательных полных внутренних отражений на границе раздела между сердцевиной и оболочкой; его поведение во многом похоже на то, как если бы он попал в трубу, стенки которой покрыты зеркальным слоем. Однако в отличие от обычного зеркала, отражение в котором довольно неэффективно, полное внутреннее отражение по существу близко к идеальному - в этом заключается их коренное отличие, позволяющее свету распространяться вдоль волокна на большие расстояния с минимальными потерями.

Волокно, изготовленное таким образом ((Рис.2) 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 явление - 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, что означает, что видеосигнал с полосой, например, 5 МГц может быть передан на максимальное расстояние в 3 км (5 МГц х 3 км = 15 МГц км). Попытка передать сигнал на бóльшее расстояние приведёт к прогрессирующей потере высоких частот.

Рис.2 Типы оптического волокна

Для многих применений эта цифра недопустимо велика, и шёл поиск конструкции волокна с более широкой полосой пропускания. Один из путей - уменьшение диаметра волокна до весьма малых значений (8-9 мкм), так что становится возможной только одна мода. Одномодовые, как их называют, волокна ((Рис.2) b)) весьма эффективно снижают дисперсию, и результирующая полоса - во много ГГц км - делает их идеальными для телефонных и телеграфных сетей общего пользования (РТТ) и кабельного сетей телевидения. К сожалению, волокно столь малого диаметра требует применения мощного, прецизионно совмещённого, а поэтому сравнительно дорогостоящего излучателя на лазерном диоде,что снижает их притягательность для многих применений, связанных малой протяжённостью проектируемой линии.

В идеале требуется волокно с полосой пропускания того же порядка, что и одномодового волокна, но с диаметром, как у многомодового, чтобы было возможным применение недорогих передатчиков на светодиодах. До некоторой степени этим требованиям удовлетворяет многомодовое волокно с градиентным изменением показателя преломления ((Рис.2) 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 бóльшим углом и проходящие больший путь, на самом деле начинают распространяться с большей скоростью по мере того, как они удаляются от центра в зону, где показатель преломления снижается, и в основном движутся быстрее, чем моды низших порядков, остающиеся вблизи оси в волокна, в области высокого показателя преломления. Увеличение скорости как раз компенсирует больший проходимый путь.

Многомодовые волокна с градиентным показателем преломления не являются идеальными, но тем не менее они демонстрируют весьма неплохие значения полосы. Поэтому в большинстве линий малой и средней протяжённости выбор такого типа волокон оказывается предпочтительным. На практике это означает, что полоса пропускания лишь изредка оказывается параметром, который следует принимать во внимание.

Однако для затухания это не так. Оптический сигнал затухает во всех волокнах, со скоростью, зависящей от длины волны передатчиком источником света (Рис.3). Как упоминалось ранее, 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). На этой длине волны градиентное многомодовое волокно хорошего качества показывает затухание порядка 3 дБ/км, что делает возможной реализацию связи в замкнутой ТВ системе на расстояниях свыше 3 км.

Рис.3 Зависимость затухания от длины волны

На длине волны 1310 нм то же самое волокно показывает ещё меньшее затухание - 0,7 дБ/км, позволяя тем самым пропорционально увеличить дальность связи до примерно 12 км. 1310 нм - это также первое рабочее окно для одномодовых оптоволоконных систем, затухание при этом составляет около 0,5 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 ещё более длинных линий связи (затухание волокна менее 0,2 дБ/км).

2 Классификация ВОК

Оптоволоконный кабель известен уже долгое время, его поддерживали даже ранние стандарты Ethernet для пропускной способности 10 Мбит/с. Первый из них получил название FOIRL (Fiber-Optic Inter-Repeater Link), а последующий - 10BaseF.

На сегодня в мире несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них: AT&T, General Cable Company (США); Siecor (ФРГ); BICC Cable (Великобритания); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония), Pirelli (Италия).

Определяющими параметрами при производстве ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи. По условиям эксплуатации кабели подразделяют на две основные группы (Рис.4)

Внутриобъектовые предназначены для прокладки внутри зданий и сооружений. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую строительную длину.

Магистральные предназначены для прокладки в колодцах кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти кабели имеют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух километров.

Для обеспечения большой пропускной способности линии связи производятся ВОК, содержащие небольшое число (до 8) одномодовых волокон с малым затуханием, а кабели для распределительных сетей могут содержать до 144 волокон как одномодовых, так и многомодовых, в зависимости от расстояний между сегментами сети.

Рис.4 Классификация ВОК

3 Преимущества и недостатки волоконно-оптической передачи сигналов

3.1 Преимущества ВОЛС

Для многих применений волоконная оптика оказывается предпочтительнее в силу целого ряда преимуществ.

Низкие потери при передаче. Волоконно-оптические кабели с малыми потерями позволяют передавать сигналы изображения на большие расстояния без использования маршрутных усилителей или репитеров. Это особенно удобно для схем передачи на дальние расстояния - например, системы наблюдения за автострадами или железной дорогой, где нередки безрепитерные участки по 20 км.

Широкополосная передача сигнала. Широкая полоса передачи оптического волокна позволяет одновременно передавать по одному волоконно-оптическому кабелю высококачественное видео, звук и цифровые данные.

Невосприимчивость к помехам и наводкам. Полная нечувствительность оптоволоконного кабеля к внешним электрическим помехам и наводкам обеспечивает устойчивую работу систем даже в тех случаях, когда монтажники не уделили достаточное внимание расположению близлежащих сетей питания и т. п.

Электрическая изоляция. Отсутствие электропроводности для оптоволоконного кабеля означает, что уходят проблемы, связанные с изменениями потенциала земли, характерные, например, для электростанций или железных дорог. Это же их свойство устраняет опасность повреждения оборудования, вызванного бросками тока от молний и т. п.

Лёгкие и компактные кабели. Крайне малые размеры оптических волокон и оптоволоконных кабелей позволяют вдохнуть вторую жизнь в битком набитые кабельные каналы. Например, один коаксиальный кабель занимает столько же места, сколько и 24 оптических кабеля, каждый их которых предположительно может одновременно передавать 64 видеоканала и 128 аудио- или видеосигналов.

Неустаревающая линия связи. Простой заменой оконечного оборудования, а не самих кабелей, волоконно-оптические сети можно модернизировать для передачи большего объёма информации. С другой стороны, часть или даже всю сеть можно использовать для совершенно другой задачи, например, объединения в одном кабеле локальной вычислительной сети и замкнутой ТВ системы.

Взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

Экономичность ВОЛС. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличии от меди.

Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако, благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающих систем.

3.2 Недостатки ВОЛС

Высокая сложность монтажа. Высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому чаще всего оптоволоконный кабель продается в виде заранее нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разъемы нужного типа. Использование оптоволоконного кабеля требует специальных оптических приемников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно.

Оптоволоконный кабель менее прочен и гибок, чем электрический. Типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10 - 20 см, при меньших радиусах изгиба центральное волокно может сломаться.

Оптоволоконный кабель чувствителен к ионизирующим излучениям, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна, то есть увеличивается затухание сигнала.

3. Электронные компоненты ВОЛС. Принцип передачи информации

В наиболее общем виде принцип передачи информации в волокно-оптических системах связи можно пояснить с помощью (Рис.5).

Рис.5 Принцип передачи информации в волокно-оптических системах связи

1 Передатчики для волоконной оптики

Наиболее важным компонентом волоконно-оптического передатчика является источник света (обычно полупроводниковый лазер или светодиод (Рис.6)). Оба служат одной и той же цели - генерации микроскопического светового пучка, который можно с высоким кпд ввести в волокно и с высокой частотой модулировать (изменять по интенсивности). Лазеры обеспечивают бóльшую интенсивность пучка, чем светодиоды, и допускают более высокую частоту модуляции; поэтому они часто используются для широкополосных линий большой протяжённости, например, телекоммуникации или кабельное телевидение. С другой стороны, светодиоды - более дешёвые и более стойкие приборы, к тому же вполне подходящие для большинства систем небольшой или средней протяжённости.

Рис.6 Способы ввода оптического излучения в оптоволокно

Помимо функционального назначения (т. е. какой сигнал он должен передавать), волоконно-оптический передатчик характеризуется ещё двумя важными параметрами, определяющими его свойства. Один - это его выходная мощность (интенсивность) оптического излучения. Второй - длина волны (или цвет) испускаемого света. Обычно это 850, 1310 или 1550 нм, значения, выбранные из условия совпадения с т. н. окнами прозрачности в характеристике пропускания материала оптического волокна.

3.2 Приёмники для волоконной оптики

Приёмники волоконной оптики решают жизненно важную задачу - детектирование чрезвычайно слабого оптического излучения, испускаемого из конца волокна, и усиление полученного электрического сигнала до требуемого уровня с минимальными искажениями и шумами. Минимальный уровень излучения, требующийся приёмнику для того, чтобы обеспечить приемлемое качество выходного сигнала, называется чувствительностью; разница между чувствительностью приёмника и выходной мощностью передатчика определяет максимально допустимые потери в системе в дБ. Для большинства замкнутых ТВ систем наблюдения со светодиодным передатчиком типовой является цифра в 10-15 дБ. В идеале приёмник должен нормально работать при изменении входного сигнала в широких пределах, поскольку обычно невозможно заранее точно предсказать, какова будет степень затухания в линии связи (т. е. длина линии, число стыков и т. п.). Во многих простых конструкциях приёмников для достижения требуемого уровня выходного сигнала используется ручная регулировка усиления, производимая при монтаже системы. Это нежелательно, поскольку неизбежны изменения в величине затухания линии, вызванные старением или изменением температуры и т. п., что диктует необходимость периодически подстраивать усиление. Во всех волоконно-оптических приёмниках применяется автоматическая регулировка усиления, которая отслеживает средний уровень входного оптического сигнала соответственно изменяет коэффициент усиления приёмника. Ни при монтаже, ни в процессе эксплуатации ручной регулировки не требуется.

оптический волокно связь кабель

4. Области применения ВОЛС

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) позволяют передавать аналоговые и цифровые сигналы на дальние расстояния. Они также используются на малых, более управляемых расстояниях, например, внутри зданий. Растет количество пользователей Интернет - и у нас быстро строятся новые центры обработки данных (ЦОД), для взаимосвязи которых используется оптоволокно. Ведь при передаче сигналов со скоростью 10 Гбит/с затраты аналогичны «медным» линиям, но оптика потребляет значительно меньше энергии. Долгие годы приверженцы волокна и меди «бились» друг с другом за приоритет в корпоративных сетях. Зря потраченное время!

Действительно, областей применения оптики становится все больше, в основном, из-за указанных выше преимуществ перед медью. Волоконно-оптическое оборудование широко используется в медицинских учреждениях, например, для коммутации локальных видеосигналов в операционных. Оптические сигналы не имеют никакого отношения к электричеству, что идеально в плане обеспечения безопасности пациентов.

Волоконно-оптическим технологиям отдают предпочтение и военные, так как передаваемые данные трудно или даже невозможно считать извне. ВОЛС обеспечивают высокую степень защиты конфиденциальной информации, позволяют передавать несжатые данные типа графики с высоким разрешением и видео с точностью до пикселя. Оптика проникла во все ключевые направления - системы наблюдения, диспетчерские и ситуационные центры в зоны с экстремальными условиями эксплуатации.

Снижение стоимости оборудования позволило использовать оптические технологии в традиционно медных областях - на больших промышленных предприятиях для организации автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП), в энергетике, в системах безопасности и видеонаблюдения. Возможность передачи большого потока информации на дальние расстояния делает оптику идеально подходящей и востребованной практически во всех областях промышленности, где длина кабельных линий может достигать нескольких километров. Если для витой пары расстояние ограничено 450 метрами, то для оптики и 30 км не предел.

В качестве примера использования ВОЛС хочу привести описание замкнутой системы безопасности видеонаблюдения на типовой электростанции. Особенно актуальной и востребованной эта тема стала в последнее время, после принятия Правительством РФ постановления о противодействиях терроризму и перечня жизненно важных объектов подлежащих защите.

5. Оптоволоконные ТВ системы наблюдения

Процесс разработки системы, как правило, включает две составляющих:

Выбор подходящих активных компонентов передающего тракта, основанный на требуемой функции (или функциях), типе и количестве имеющихся или предлагаемых волокон и максимальной дальности передачи.

Конструкции пассивной инфраструктуры оптоволоконного кабеля, в том числе типы и технические характеристики магистрального кабеля, соединительные коробки, панели для наращивания кабелей (fibre patch panels).

1Компоненты тракта передачи видеонаблюдения

Прежде всего - какие компоненты на самом деле требуются, чтобы удовлетворить техническим характеристикам системы?

Системы с фиксированными камерами - такие системы чрезвычайно просты и обычно состоят из миниатюрного волоконно-оптического передатчика и либо модульного, либо монтируемого в стойке приёмника. Передатчик часто имеет размеры, достаточно малые для того, чтобы смонтировать его непосредственно в корпусе камеры, и снабжается коаксиальным байонетным разъёмом, оптическим соединителем ST и клеммами для подключения низковольтного источника питания (как правило, 12 В постоянного или переменного тока). Система наблюдения типовой электростанции состоит из нескольких десятков таких камер, сигналы с которых передаются на центральный пост управления, и в этом случае приёмники монтируются в стойку на стандартную 19-дюймовую карту формата 3U с общим блоком питания.

Системы на управляемых камерах с поворотными устройствах - такие системы более сложны, так как требуется дополнительный канал для передачи сигналов управления камерой. Вообще говоря, существует два типа системы дистанционного управления такими камерами - требующие однонаправленной передачи сигналов дистанционного управления (от центрального поста к камерам) и требующие двунаправленной передачи. Системы с двунаправленной передачей становятся всё более популярными, так как они позволяют получать от каждой камеры подтверждение приёма каждого управляющего сигнала, а поэтому обеспечивают большую точность и надёжность управления. В пределах каждой из этих групп существует широкий спектр требований на интерфейс, в том числе RS232, RS422 и RS485. Другие системы не используют цифровой интерфейс, но передают данные как последовательность звуковых сигналов по аналоговому каналу, подобно сигналам двухчастотного тонального набора в телефонии.

Рис.6 Передача сигналов дистанционного управления поворотным устройством по одному волокну

Все эти системы могут работать и с волоконно-оптическими кабелями при использовании соответствующего оборудования. При нормальных обстоятельствах одновременная передача оптических сигналов по одному волокну в противоположных направлениях нежелательна, так как из-за рассеянного отражения в волокне возникают взаимные помехи. В замкнутых ТВ системах этот эффект создаёт на изображении помехи всякий раз, когда задействовано управления камерой.

Для достижения двунаправленной передачи по одному волокну, не создающей взаимных помех, необходимо, чтобы передатчики на разных концах волокна работали на разных длинах волн, например, на 850 нм и на 1300 нм, соответственно (Рис.6). К каждому концу волокна подсоединяется ответвитель на мультиплексоре с разделением длин волн (WDM - wavelength division multiplexer), который обеспечивает, что каждый приёмник получает от находящегося на противоположном конце волокна передатчика свет только с нужной длиной волны (например, 850 нм). Нежелательные отражения от передатчика на ближнем конце оказываются в неправильном диапазоне (т. е. 1300 нм) и соответственно отсекаются.

Дополнительные возможности - хотя выбор фиксированной камеры или камеры на поворотном устройстве удовлетворяет требованиям большей части замкнутых ТВ систем наблюдения, существует ряд систем, в которых требуются дополнительные возможности, например, передача аудиоинформации - для общего оповещения, вспомогательных сообщений потребителю или связь по интеркому с удалённым постом. С другой стороны, частью интегрированной охранной системы могут быть контакты датчиков, срабатывающих при пожаре или появлении посторонних. Все эти сигналы можно передавать по оптоволокну - или по тому же, что используется сетью, или по другому.

2Мультиплексирование видеосигналов

На одном одномодовом оптоволокне возможно мультиплексирование до 64 видео и до 128 аудиосигналов или сигналов цифровых данных, или несколько меньшего числа - на многомодовом. В этом контексте под мультиплексированием имеется в виду одновременная передача полноэкранных видеосигналов в реальном времени, а не малокадровое или полиэкранное отображение, к чему чаще относится данный термин.

Способность передавать многие сигналы и дополнительную информацию по нескольким оптическим волокнам - весьма ценная, особенно для замкнутых ТВ систем наблюдения с большой протяжённостью, например, для автомагистралей или железных дорог, где минимизация числа оптоволоконных кабелей зачастую жизненно важна. Для других применений, с меньшей протяжённостью и сильно разбросанными камерами, преимущества не так очевидны, и здесь в первую очередь следует рассмотреть использование отдельной волоконной линии для каждого видеосигнала. Выбор того, мультиплексировать или нет, довольно сложен, и его необходимо делать только после рассмотрения всех моментов, в том числе топологии системы, общих затрат и, не в последнюю очередь, устойчивость к повреждениям сети.

3Инфраструктура кабельной сети

После того, как определены требования к тракту передачи, выполняется разработка инфраструктуры кабельной оптоволоконной сети, в которую входят не только сами кабели, но и все вспомогательные компоненты - соединительные коробки, панели для наращивания кабелей, обводные кабели.

Первая задача - подтвердить правильность выбора числа и типа оптических волокон, определённого на этапе выбора компонентов тракта. Если система не отличается большой протяжённостью (т. е. не длиннее примерно 10 км) и не предполагает мультиплексной передачи видеосигналов то, скорее всего, оптимальным выбором будет многомодовое волокно 50/125 мкм или 62,5/125 мкм с градиентным показателем преломления. Традиционно для замкнутых ТВ систем выбирается волокно 50/125 мкм, а для локальных вычислительных сетей - 62,5/125 мкм. Во всяком случае, каждое из них подходит для каждой из этих задач, и вообще, в большинстве стран для обеих целей применяется волокно 62,5/125 мкм.

Число потребных волокон можно определить исходя из количества и относительного расположения камер и из того, используется ли однонаправленное или двунаправленное дистанционное управление или мультиплексирование. Поскольку трубах. Кабели, предназначенные для прокладки во внешних каналах, обычно имеют влагозащиту или из алюминиевой ленты (сухие полые трубы), или из водоотталкивающего наполнителя (кабели с гелевым наполнителем). Кабель для противопожарной безопасности.

Многие замкнутые ТВ системы малой протяжённости имеют конфигурацию звезды, где от каждой камеры до поста управления проложен цельный участок кабеля. Для таких систем оптимальная конструкция кабеля будет содержать два волокна - соответственно для передачи видеосигнала и дистанционного управления. Такая конфигурация обеспечивает стопроцентный запас по ёмкости кабеля, так как при необходимости и видео, и сигналы дистанционного управления могут быть переданы по одному и тому же волокну. Более разветвлённые сети могут выиграть от использования обратной древовидной топологии (inverted branch & tree topology) (Рис.7). В таких сетях от каждой камеры двухжильный оптоволоконный кабель ведёт к местному "концентратору", где они соединяются в единый многожильный кабель. Сам же концентратор не сильно сложнее обычной всепогодной соединительной коробки и зачастую может быть объединён с корпусом оборудования одной из камер.

Прирост стоимости при добавлении оптоволоконных линий в уже существующий кабель незначителен, особенно по сравнению со стоимостью связанных с этим общественных работ, следует серьёзно подойти к возможности установки кабелей с запасом по ёмкости.

Волоконно-оптические кабели траншейного заглубления может содержать арматуру из стальной проволоки. В идеале все кабели должны изготавливаться из пламеостанавливающих материалов с низким дымовыделением, чтобы удовлетворять местным правилам, предназначенные для прокладки во внешней кабельной канализации или непосредственно в траншеях, обычно имеют конструкцию полой трубы, содержащей от 2 до 24 волокон в одной или нескольких

Рис.7 Древовидная топология волоконно-оптической сети

На посту управления входной волоконно-оптический кабель обычно приходит в блок сопряжения, смонтированный в 19" стойку, при этом каждое волокно имеет свой индивидуальный ST-коннектор. Для окончательного сопряжения с приёмником используются короткие переходные кабели повышенной жёсткости с ответными ST-коннекторами на каждом конце. Для выполнения всех монтажных работ не требуется никакого особого искусства, помимо разумного понимания необходимости осторожного обращения с оптическим волокном (например, нельзя сгибать волокно с радиусом менее 10 диаметров волокна) и требований общей гигиены (т. е. чистоты).

4Бюджет оптических потерь

Может показаться странным, что подсчёт бюджета оптических потерь происходит на столь позднем этапе процесса разработки, однако на самом деле сколько-нибудь точный его расчёт возможен только после того, как инфраструктура кабельной сети полностью определена. Цель расчёта - определить потери для наихудшего пути прохождения сигнала (обычно самого длинного) и убедиться, что выбранное для тракта передачи оборудование с разумным запасом вписывается в полученные пределы.

Расчёт довольно прост и состоит в обыкновенном суммировании потерь в децибелах всех компонентов тракта, в том числе затухания в кабеле (дБ/км х длину в км) плюс оба коннектора и потери на стыках. Самая большая трудность - просто-напросто извлечь необходимые цифры потерь из документации изготовителя.

В зависимости от полученного результата может потребоваться переоценка выбранного для тракта передачи оборудования, чтобы обеспечить приемлемые потери. Например, может оказаться необходимым заказать оборудование с улучшенными оптическими параметрами, а если такового не найдётся - следует рассмотреть вопрос о переходе на окно прозрачности с большей длиной волны, где потери меньше.

5Тестирование системы и ввод её в эксплуатацию

Большинство специалистов по установке волоконно-оптических сетей предоставляют результаты оптических испытаний для вводимой в эксплуатацию оптоволоконной сети. Как минимум, они должны включать результаты измерений по сквозной передаче мощности оптического излучения для каждой оптоволоконной линии - это эквивалентно проверке целостности для обычной сети на медных кабелях с мультиплексорами электрических сигналов. Эти результаты представляются как величина потерь линии в дБ, и их можно непосредственно сравнить с техническими данными на выбранное для тракта передачи оборудование. Обычно считается нормальным иметь минимальный запас по величине потерь (обещанные параметры оборудования минус измеренная величина) в 3 дБ на неизбежные процессы старения, происходящие в оптоволоконных линиях, особенно в передатчиках.

Заключение

Зачастую у специалистов бытует мнение, что оптоволоконные решения значительно дороже медных. В заключительной части моей работы мне хотелось бы подвести итог ранее сказанному и попытаться все таки выяснить, так это или нет, сравнив оптические решения компании 3M Volution с типовой экранированной системой 6-й категории, обладающей наиболее близкими многомодовой оптике

В ориентировочный расчет стоимости типовой системы была включена цена порта 24-портовой коммутационной панели (в расчете на одного абонента), абонентских и коммутационных шнуров, абонентского модуля, а также стоимость горизонтального кабеля за 100 метров (см. таблицу 1).

Таблица 1 Расчет стоимости абонентского порта СКС для «меди»6й категории и оптики

Этот простой расчет показал, что стоимость оптоволоконного решения всего на 35% больше, чем решения для витой пары 6-й категории, так что слухи об огромной дороговизне оптики несколько преувеличены. Причем стоимость основных оптических компонентов на сегодня сравнима или даже ниже, чем для экранированных систем 6-й категории, но, к сожалению, готовые оптические коммутационные и абонентские шнуры пока что в несколько раз дороже медных аналогов. Однако если по каким-либо причинам протяженность абонентских каналов в горизонтальной подсистеме превышает 100 м, оптике просто нет альтернативы.

В то же время низкое значение затухания оптического волокна и "иммунитет" к различным электромагнитным наводкам делает его идеальным решением для сегодняшних и будущих кабельных систем.

Структурированные кабельные системы, которые используют оптоволокно как для магистральных, так и для горизонтальных кабельных каналов, дают потребителям ряд серьезных преимуществ: более гибкая структура, меньшая занимаемая площадь в здании, высокая безопасность и лучшая управляемость.

Применение оптического волокна на рабочих местах позволит в будущем с минимальными затратами перейти на новые сетевые протоколы, такие как Gigabit и 10 Gigabit Ethernet. Это возможно благодаря ряду последних достижений в области оптоволоконных технологий: многомодовое оптоволокно с улучшенными оптическими характеристиками и полосой пропускания; оптические разъемы с малым форм-фактором, которые требуют меньшей площади и меньшего количества затрат при монтаже; плоскостные лазерные диоды с вертикальным резонатором обеспечивают передачу данных на большое расстояние с низкими затратами.

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

Принцип действия

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

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

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

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

Передатчик

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

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

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

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

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

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

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

Приёмники

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

Передача света стеклом: история

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

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

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

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

Рождение волокна

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

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

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

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

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

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

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

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

Военная промышленность

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

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

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

Разновидности кабелей

Кабель формируют:

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

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

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

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

Фотонно-кристаллический фибер

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

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

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

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

Частоты

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

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

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

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.

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.

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.