Оптоволоконные (волоконно-оптические кабели) используются для передачи информации с помощью светового луча. Передача информации по волоконно-оптическому кабелю имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю , .
Широкая полоса пропускания — по сравнению с электромагнитной средой. Одно волокно, работающее на длине волны1300 или 1550 нм, потенциально имеет ширину полосы 20 ТГЦ $$(2\times 10^{12}$$). Это дает возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации со скоростью несколько терабит в секунду. Это достаточно для размещения приблизительно 250 миллионов каналов со скоростью передачи 64 Кбит/с.
Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,35 дБ/км на длине волны 1300 и 1500 нм. При допустимом затухании 20 дБ максимальное расстояние между усилителями или повторителями составляет около 100 км и более.
Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи с использованием различной модуляции сигналов без защиты и контролировать правильность принятой информации только в оконечных терминалах. Это упрощает алгоритмы обработки и еще больше увеличивает реальную скорость передачи.
Защищенность от электромагнитных помех. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного затухания.
Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см, может быть заменен одним волокном с диаметром 0,1 см. Если волокно "одеть" во множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого кабеля будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.
Высокая безопасность от несанкционированного доступа. Поскольку оптоволоконный кабель практически не излучает в радиодиапазоне, передаваемую информацию трудно подслушать, не нарушая приема/передачи. Более того, несанкционированные отводы (см. в разделе "Оптические соединители") в оптической системе реализуются более сложно, и требуют подключения с помощью сложного оборудования. Несанкционированные подключения в оптической сети проще обнаруживаются. Системы, отслеживающие качество распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации), имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Поэтому оптические системы со слежением за качеством сигнала особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.
Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Оптоволоконные кабели не требуют заземления оболочки, защищающего от "блуждающих токов" и высоковольтных наводок по "земле", при которых может возникнуть большая разность потенциалов, что для электромагнитных кабелей может привести к повреждению сетевого оборудования.
Пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.
Уменьшение требований к линейно-кабельным сооружениям. Волоконно-оптические кабели освобождают переполненные кабельные трубопроводы. Как уже отмечалось выше, волоконно-оптические кабели имеют меньший объем в расчете на одну и ту же пропускную способность, в связи с чем переполнение кабельных трубопроводов становится маловероятным, даже при интенсивном росте широкополосных услуг.
только с использованием оптических усилителей на промежуточных узлах при скорости передачи выше 10 Гбит/с.
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 волоконно-оптического кабеля составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений стандартов приемо-передающих систем. Сроки старения оптических кабелей гораздо больше, чем сроки деградации электромагнитных кабельных сооружений.
Часть электромагнитного спектра, которая предназначена для волоконной оптической связи - в пределах инфракрасной составляющей света, спектрально расположена между СВЧ диапазоном и видимой частью спектра (см. рис 3.1). Инфракрасный означает, что он лежит ниже красного света" от латинского слова "инфра". Инфракрасная часть спектра начинается "ниже" красной части спектра, приблизительно в 700 нм длины волны. Инфракрасные волны располагаются приблизительно от 700 нм до 1 миллиметр (мм). Диапазон инфракрасного спектра наиболее часто используется для оптической волоконной связи - от 850 нм до приблизительно 1625 нм.
(рис 3.1) Электромагнитный спектр
| Диапазон в нанометрах | Обозначение диапазона | Название диапазона |
|---|---|---|
| 1260 - 1360 | O – band | Исходный(original) |
| 1369 - 1460 | E – band | Расширенный |
| 1460 – 1530 | S – band | Коротковолновой |
| 1530 – 1565 | C- band | Обычный |
| 1565 – 1625 | L- band | Длинноволновый |
| 1625 - 1675 | U - band | Ультра Длинноволновый |
Использование электромагнитного спектра для оптической волоконной связи тесно связано с показателями затухания стеклянного волокна в областях инфракрасного спектра. Эти области с низким оптическим затуханием, названные
(рис 3.2) Окна прозрачности
Оптоволоконный кабель содержит , три основных элемента (рис 3.2):
(рис 3.3) Конструкция оптического волокна
Сердцевина, волоконный светопроводящий элемент, окружен оболочкой, которая имеет меньший показатель преломления света. Это приводит к тому, что большинство световых лучей в сердцевине отражаются внутрь сердцевины (рис 3.3). Попадет ли луч снова внутрь сердцевины, зависит от угла, под которым он пересекает границу "сердцевина-оболочка"
(рис 3.4) Принцип размещения волокон в оптическом кабеле
(рис 3.5) Схема распространения лучей в многомодовом кабеле
На рис. 3.5 показан принцип распространения лучей. В том числе видно, что при отражении луча под определенным углом возникает другой луч - "вторичная мода". Такие лучи могут быть использованы для организации второго пути переноса информации. Оптические волокна, в которых допускается прохождение лучей к приемнику многочисленными путями, называются многомодовыми. По сравнению с одномодовыми кабелями (диаметр сердцевины 8,5 или 9,5 мкм ) многомодовые кабели имеют больший диаметр (50/62/5 мкм при диаметре оболочки 125 мкм ). Больший диаметр сердцевины упрощает их изготовление.
. Такой эффект наблюдается у так называемых волокон со ступенчатым показателем преломления. Это волокна, у которых на границе "оболочка-сердцевина" происходит скачок коэффициента преломления. Лучшие показатели BDF у волокна с плавным изменением, показателя преломления от максимального в центре к минимальному по краям. Таким образом, лучи, проходящие ближе к центру, будут распространяться с задержкой, по сравнению с лучами, проходящими по его краям. Поэтому скорости всех лучей выравниваются, и лучи прибывают к приемнику с одинаковой задержкой. Волокна с изменяющимся показателем преломления по указанному выше закону называются градиентными волокнами и имеют коэффициент широкополосности на два порядка больше, чем волокна со ступенчатым показателем.
). В современных оптических волокнах самое низкое затухание наблюдается на двух длинах волны — 1300 и 1550 нм , так как в этих диапазонах самая большая прозрачность кварца, из которого делается волокно. На этих частотах, как можно увидеть на .
(рис 3.6) Зависимость затухания в оптическом волокне от длины волны
| Тип оптического кабеля | d/D мкм | NA | Погонное затухание дБ/км | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 850 нм | 1350 нм | 1550 нм | |||
| Одномодовый | 9,5/125 | 0,15 | - | 0,4 | 0,3 |
| Многомодовый градиентный | 50/125 | 0,2 | 2,5 | 0,7 | - |
| 62,50/125 | 0,275 | 3 | 1 | - | |
| 80/125 | 0,28 | 3,5 | 1,5 | - | |
| 100/140 | 0,4 | 5 | - | - | |
| Многомодовый ступенчатый | 200/280 | 0,4 | 5 | - | - |
| 200/280 | - | 6 | - | - | |
| Примечание:d/D – отношение диаметра сердцевины к диаметру оболочки, NA – числовая аппертура | |||||
Хроматическая дисперсия возникает в том случае, если световой сигнал состоит из волн разных длин. Хроматическая дисперсия — один из механизмов, лимитирующих полосу пропускания волоконно-оптических кабелей, ухудшающих распространение импульсов сигнала, который состоит из различных цветов проходящего света (некогерентность сигнала). Различные длины волн распространяются с различной скоростью. Хотя большинство оптических источников имеют одинаковый диапазон светового луча, каждая волна с различной длиной прибывает за различное время, и поэтому оказывается, что передаваемый импульс размывается. Количественно дисперсия измеряется относительно скорости распространения волн с различной длиной, входящих в световой сигнал. Большая дисперсия означает, что волны распространяются с большой разницей по скорости. Низкая дисперсия указывает, что сигналы, смежные по длине волны, распространяются приблизительно с одинаковой скоростью. Упорядочение дисперсии состоит в том, чтобы снизить разницу распространения сигналов разной длины волны по всему диапазону. Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волновой составляющих и происходит при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне, ввиду отсутствия межмодовой дисперсии. Материальная составляющая отражает зависимость показателя преломления волокна от длины волны. В выражение для дисперсии одномодового волокна входит характеристика материала, а именно зависимости показателя от длины волны.
$$\tau_{mat}(\Delta\lambda)=\Delta\lambda\times L\times M(\lambda),$$где
В выражение для дисперсии одномодового волокна входит показатель преломления материала, а именно — дифференциальная зависимость показателя от длины волны $$M(\lambda)$$. Эта составляющая определяется скоростью (дифференциалом) возрастания или уменьшения показателя преломления в зависимости от длины волны. С увеличением длины волны этот показатель может быть положительным (коэффициент преломления возрастает) или отрицательным (коэффициент преломления убывает).
Волновая дисперсия определяется временем распространения сигнала в зависимости от длины волны. Дифференциал такой функции всегда положительный (время распространения с увеличением длины волны только возрастает).
$$\tau_{w}(\Delta\lambda)=\Delta\lambda\times L\times N(\lambda),$$где
Итоговая удельная хроматическая дисперсия $$D(\lambda)$$ равна
$$D(\lambda)=M(\lambda)+N(\lambda)$$И здесь важным является то, что при определенной длине волны (примерно $$1310\pm 10$$нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация $$M(\lambda)$$и $$N(\lambda)$$, а результирующая дисперсия $$D(\lambda)$$ обращается в нуль. Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии $$\lambda_0$$. Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться $$\lambda_0$$ для данного конкретного волокна. Для борьбы с хроматической дисперсией можно рекомендовать следующие методы.
1. В качестве рабочей длины волны выбирать длину, при которой хроматическая дисперсия минимальна.
2. Выбирать источник с узким спектром.
3. Использовать для передачи сигналов узкие однополярные импульсы.
4. Применять оптическое волокно, компенсирующее дисперсию (волокно со смещенной или выровненной дисперсией). На . Как видно из рис.3.7 , длина волны нулевой дисперсии $$\lambda_0$$ для многомодового градиентного и одномодового ступенчатого кабелей — 1300 нм и для одномодового со смещенной дисперсией — 1500 нм. В реальных кабелях вследствие производственных допусков типичные значения дисперсии порядка 1-3,5 пс/км нм.
Установлено, что при определенной форме сигнала (рис 3.8) он имеет наименьшую дисперсию. Такие импульсы называются солитонами.
Имеется два типа приборов, преобразующих электрический сигнал в световой, — это светодиоды и лазерные диоды.
. Область спектра генерируемого сигнала $$\Delta\lambda= 30 \times 50 нм$$ при длине волны основного сигнала 850 нм и 70 или 120 при длине волны основного сигнала 1300 нм. На рисунке максимальная мощность обозначена 1. Типовое значение возбуждаемой максимальной мощности для различных типов диодов различна и находится в пределах от 20 до 10 дБ. Некогерентность светодиодов ограничивает их применение.
(рис 3.7) Кривые временных задержек и удельной хроматической дисперсии
| Тип волокна | $$\lambda$$,(нм) | Межмодовая дисперсия, пс/км $$\tau_{mod}$$ | Удельная хроматичская дисперсия пс/(им км)$$D(\lambda)$$ |
|---|---|---|---|
| MMF50/125 | 850 | 414 ($$\Delta=0,02, n_1=1,46$$) | 99,6 ($$\lambda_0=1322-1354нм, S_0\leqslant 0,097пс /(нм^2 км)$$) |
| 1310 | 414 | 1,0 | |
| 1550 | 414 | 19,2 | |
| 850 | 973 ($$\lambda_0=1297-1316нм, S_0\leqslant 0,101пс/(нм^2 км)$$) | 106,7 ($$\lambda_0=1301,5-1321,5 нм, S_0\leqslant 0,092пс /(нм^2 км)$$) | |
| 1310 | 973 | 4,2 | |
| 1550 | 973 | 17,3 | |
| SF 8/125 | 1310 | 0 | <1,8$$(\lambda_0=1525-1565нм, S_0\leqslant 0,085пс /(нм^2 км))$$ |
| 1550 | 0 | 17,5 | |
| 1310 | 0 | 21,2 6 | |
| 1550 | 0 | <1,7 |
(рис 3.8) Форма импульса типа "солитон"
Самые главные достоинства светоизлучающих светодиодов — это:
(рис 3.9) Спектральная характеристика светодиода
(рис 3.10) Характерные спектральные характеристики лазерных диодов: а) Многомодовые, б) Одномодовые
Для светодиодов ), по сравнению со светодиодом . Принцип излучения лазерных диодов позволяет использовать модуляцию по параметрам световой волны, например частотную. Кроме того, они характеризуются максимальной для полупроводниковых излучателей мощностью до нескольких сотен милливатт, минимальной шириной спектра и очень узкой направленностью. На рис. 3.10 видно, что как многомодовые, так и одномодовые лазерные диоды имеют значительно более узкий спектр, чем светодиоды, и это обеспечивает меньшую хроматическую дисперсию.
Поскольку лазерные диоды отличаются более сложной конструкцией и большими электрическими нагрузками по сравнению со светодиодами, они уступают последним в надежности,
| Параметры | Светодиод | Лазерные диоды |
|---|---|---|
| Длина волны | 850, 350 | 1350,550 |
| Выходная мощность | 0,5 – 11,5 мВт | 3 – 10 мВт |
| Время нарастания | 1 – 20 нс | 1 – 2 нс |
| Диапазон тока | 5 – 150 мА | 100 – 500 мА |
| Ширина спектра | 50 – 120 нм | 0,4 – 1,0 |
Приемник излучения должен преобразовать оптический сигнал в электрический. Поскольку информационный сигнал содержится в модулированном световом потоке, этот поток должен быть принят как можно полнее и без искажений. Так как рабочая поверхность приемника намного больше сечения световода, потери при переходе излучения в приемник будут намного меньше, чем при переходе от источника в линию. Для приема излучения могут использоваться фотодиоды - полупроводниковые приборы на основе групп кремния и германия. В обычных фотодиодах формируется ток, зависящий от интенсивности падающего излучения, их отличают хорошая линейность и стабильность работы, малое время отклика, но они не обеспечивают усиление фототока.
Эти полупроводниковые приборы также строятся на основе кремния и германия.
В p-i-n (PIN) фотодиодах между слоями с разной проводимостью (p и n) вводится слой с собственной проводимостью (i-область), который при подаче обратного напряжения смещения обедняется свободными носителями. В результате поглощения света будут образовываться электроны-носители, которые будут ускорять сильное электрическое поле. PIN-фотодиоды обладают большей, чем фотодиоды, чувствительностью. Их барьерная емкость мала, за счет чего обеспечиваются хорошие частотные характеристики (граничная частота — до 1 ГГц). Для них требуется небольшое напряжение обратного смещения (менее 5В).
Лавинные фотодиоды обладают внутренним усилением и отличаются от p-i-n фотодиодов наличием еще одного дополнительного слоя. При высоких обратных напряжениях смещения (порядка 100 В) в них образуется сильное ускоряющее поле. В поле происходит лавинное размножение носителей, образующихся под влиянием света, то есть усиление фототока. Эти приборы характеризуются высокой чувствительностью, большим усилением и высоким быстродействием, однако, их использование затруднено сложностью, высокой стоимостью, высокими рабочими напряжениями, необходимостью стабилизации напряжений и температур и работой только в режиме усиления слабого сигнала. Характеристики оптических приемников приведены в табл. 3.5.
| Параметры | p – i – n | Лавинный фотодиод | Фототранзистор |
|---|---|---|---|
| Чувствительность | 0,5 мка/мкВт | 15мка/мкВт | 35мка/мкВт |
| Время нарастания | 1 нс | 2 нс | 2 мкс |
| Напряжение смещения | 10 В | 100 В | 10 В |
Одним из критических мест волоконных систем являются сращивание волокон и разъемы. Учитывая диаметр центральной части волокна, нетрудно предположить, к каким последствиям приведет смещение осей стыкуемых волокон даже на несколько микрон (особенно в одномодовом варианте, где диаметр центрального ядра менее 10 микрон) или деформация формы сечения волокон. Соединители для оптических волокон имеют обычно конструкцию, показанную на рис. 3.11 , и изготовляются из керамики. Потеря света в соединителе составляет 0,2 дБ. Для сравнения: сварка волокон приводит к потерям не более 0,001-0,1дБ. Существует также техника механического сращивания волокон, которая характеризуется потерями около 10% (
С использованием оптических волокон можно создавать не только кольцевые структуры. Возможно построение фрагмента сети, по характеру связей эквивалентного кабельному
сегменту или
(рис 3.11) Схема оптического разъема
(рис 3.12) Схема пассивного оптоволоконного хаба
Кросс, предназначенный для оптического кабеля, относится к кроссам высокой плотности, т.е. количество подключаемых пар на единицу площади превышает предыдущие системы (например, цифровые системы уплотнения). К такому кроссу предъявляются стандартные требования:
Высокая плотность и хрупкость (высокая вероятность повреждения в условиях эксплуатации) приводят к новым решениям. Еще одна особенность оптических кабелей состоит в специфике распространения света по волокну. При перегибе волокна больше защитного радиуса в 30 мм в нем возникает рассеяние оптической мощности, и затухание в кабеле значительно возрастает. Поэтому помимо бережной эксплуатации появляется еще одно требование — геометрического свойства: ни при каких обстоятельствах радиус перегиба не должен превышать критический. В соответствии с новыми нормами и стандартами безопасности OSHA (Occupational Safety and Health Administration — законы о технике безопасности и гигиене труда США) оптические кроссы должны обеспечивать максимальную защиту глаз оператора от возможного лазерного излучения при кроссировке кабелей. Особенно это важно для кроссов высокой плотности. Особенностью кроссов высокой плотности является принципиальная невозможность использования вертикальных или фронтальных методов доступа к кабелям. Фронтальные методы не обеспечивают в полной мере необходимую плотность кроссовых соединений и не столь безопасны для персонала. Вертикальный доступ неудобен при работе с отдельными волокнами.
В последнее время заметного удешевления оптических каналов удалось достичь за счет мультиплексирования с делением по длине волны , . Волновое мультиплексирование (Wave Division Multiplexing,
(рис 3.13) Мультиплексирование с делением по длине волны в оптическом волокне
Эта достигается с помощью нескольких компонент. Во-первых, передаваемые данные должны посылаться на определенной несущей длине волны. Обычно волновое мультиплексирование
Существует два типа систем
Первое и главное состоит в увеличении объема информации, передаваемого по оптическому волокну. В этом случае большое количество потоков данных передаются по небольшому количеству оптических кабелей. Это дает возможность значительно увеличить пропускную способность оптического кабеля. Так, при скорости 10 Гбит/с на канал
Второе приложение
Устройства для организации
При передаче одиночного оптического сигнала (см рис 3.13а) каждый регенератор преобразует оптический сигнал в электрический, корректирует временные параметры, выделяет передаваемую информацию и в результате управляет лазерным передатчиком для регенерации сигнала и преобразование оптического сигнала в электрический сигнал требует больших затрат, поскольку применяет очень дорогие компоненты (лазеры и сверхскоростную электронику).
imОптические системы передачи: а) с линейной регенерацией; б)
Схема, показанная на рис. 3.13б, передает составной
Указания к решению задачи 2
Для решения используем приведенную в тексте формулу
$$\tau_{mat}(\Delta\lambda)=\Delta\lambda\times L\times M(\lambda),$$где
Введем показатель "максимально допустимая величина расширения импульса" (она зависит от кода, применяемого для передачи сигналов): импульса" (она зависит от кода, применяемого для передачи сигналов):
$$\tau_{max}(\Delta\lambda)\leqslant kT$$Подставляя выражение в предыдущую формулу, получаем
$$kT=\Delta\lambda\times L\times M(\lambda),$$или
$$\frac L T=\frac{k}{\Delta\lambda\times M(\lambda)},$$Учитывая, что
$$B=\frac 1 T$$где $$B$$ — ширина полосы пропускания, получаем формулу коэффициента широкополосности, по которой следует проводить вычисления:
$$BL\leqslant \frac{k}{\Delta\lambda\times M(\lambda)},$$Оптоволоконные (волоконно-оптические кабели) используются для передачи информации с помощью светового луча. Передача информации по волоконно-оптическому кабелю имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю , .
Широкая полоса пропускания — по сравнению с электромагнитной средой. Одно волокно, работающее на длине волны1300 или 1550 нм, потенциально имеет ширину полосы 20 ТГЦ $$(2\times 10^{12}$$). Это дает возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации со скоростью несколько терабит в секунду. Это достаточно для размещения приблизительно 250 миллионов каналов со скоростью передачи 64 Кбит/с.
Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,35 дБ/км на длине волны 1300 и 1500 нм. При допустимом затухании 20 дБ максимальное расстояние между усилителями или повторителями составляет около 100 км и более.
Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи с использованием различной модуляции сигналов без защиты и контролировать правильность принятой информации только в оконечных терминалах. Это упрощает алгоритмы обработки и еще больше увеличивает реальную скорость передачи.
Защищенность от электромагнитных помех. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного затухания.
Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см, может быть заменен одним волокном с диаметром 0,1 см. Если волокно "одеть" во множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого кабеля будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.
Высокая безопасность от несанкционированного доступа. Поскольку оптоволоконный кабель практически не излучает в радиодиапазоне, передаваемую информацию трудно подслушать, не нарушая приема/передачи. Более того, несанкционированные отводы (см. в разделе "Оптические соединители") в оптической системе реализуются более сложно, и требуют подключения с помощью сложного оборудования. Несанкционированные подключения в оптической сети проще обнаруживаются. Системы, отслеживающие качество распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации), имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Поэтому оптические системы со слежением за качеством сигнала особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.
Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Оптоволоконные кабели не требуют заземления оболочки, защищающего от "блуждающих токов" и высоковольтных наводок по "земле", при которых может возникнуть большая разность потенциалов, что для электромагнитных кабелей может привести к повреждению сетевого оборудования.
Пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.
Уменьшение требований к линейно-кабельным сооружениям. Волоконно-оптические кабели освобождают переполненные кабельные трубопроводы. Как уже отмечалось выше, волоконно-оптические кабели имеют меньший объем в расчете на одну и ту же пропускную способность, в связи с чем переполнение кабельных трубопроводов становится маловероятным, даже при интенсивном росте широкополосных услуг.
только с использованием оптических усилителей на промежуточных узлах при скорости передачи выше 10 Гбит/с.
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 волоконно-оптического кабеля составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений стандартов приемо-передающих систем. Сроки старения оптических кабелей гораздо больше, чем сроки деградации электромагнитных кабельных сооружений.
Часть электромагнитного спектра, которая предназначена для волоконной оптической связи - в пределах инфракрасной составляющей света, спектрально расположена между СВЧ диапазоном и видимой частью спектра (см. рис 3.1). Инфракрасный означает, что он лежит ниже красного света" от латинского слова "инфра". Инфракрасная часть спектра начинается "ниже" красной части спектра, приблизительно в 700 нм длины волны. Инфракрасные волны располагаются приблизительно от 700 нм до 1 миллиметр (мм). Диапазон инфракрасного спектра наиболее часто используется для оптической волоконной связи - от 850 нм до приблизительно 1625 нм.
(рис 3.1) Электромагнитный спектр
| Диапазон в нанометрах | Обозначение диапазона | Название диапазона |
|---|---|---|
| 1260 - 1360 | O – band | Исходный(original) |
| 1369 - 1460 | E – band | Расширенный |
| 1460 – 1530 | S – band | Коротковолновой |
| 1530 – 1565 | C- band | Обычный |
| 1565 – 1625 | L- band | Длинноволновый |
| 1625 - 1675 | U - band | Ультра Длинноволновый |
Использование электромагнитного спектра для оптической волоконной связи тесно связано с показателями затухания стеклянного волокна в областях инфракрасного спектра. Эти области с низким оптическим затуханием, названные
(рис 3.2) Окна прозрачности
Оптоволоконный кабель содержит , три основных элемента (рис 3.2):
(рис 3.3) Конструкция оптического волокна
Сердцевина, волоконный светопроводящий элемент, окружен оболочкой, которая имеет меньший показатель преломления света. Это приводит к тому, что большинство световых лучей в сердцевине отражаются внутрь сердцевины (рис 3.3). Попадет ли луч снова внутрь сердцевины, зависит от угла, под которым он пересекает границу "сердцевина-оболочка"
(рис 3.4) Принцип размещения волокон в оптическом кабеле
(рис 3.5) Схема распространения лучей в многомодовом кабеле
На рис. 3.5 показан принцип распространения лучей. В том числе видно, что при отражении луча под определенным углом возникает другой луч - "вторичная мода". Такие лучи могут быть использованы для организации второго пути переноса информации. Оптические волокна, в которых допускается прохождение лучей к приемнику многочисленными путями, называются многомодовыми. По сравнению с одномодовыми кабелями (диаметр сердцевины 8,5 или 9,5 мкм ) многомодовые кабели имеют больший диаметр (50/62/5 мкм при диаметре оболочки 125 мкм ). Больший диаметр сердцевины упрощает их изготовление.
. Такой эффект наблюдается у так называемых волокон со ступенчатым показателем преломления. Это волокна, у которых на границе "оболочка-сердцевина" происходит скачок коэффициента преломления. Лучшие показатели BDF у волокна с плавным изменением, показателя преломления от максимального в центре к минимальному по краям. Таким образом, лучи, проходящие ближе к центру, будут распространяться с задержкой, по сравнению с лучами, проходящими по его краям. Поэтому скорости всех лучей выравниваются, и лучи прибывают к приемнику с одинаковой задержкой. Волокна с изменяющимся показателем преломления по указанному выше закону называются градиентными волокнами и имеют коэффициент широкополосности на два порядка больше, чем волокна со ступенчатым показателем.
). В современных оптических волокнах самое низкое затухание наблюдается на двух длинах волны — 1300 и 1550 нм , так как в этих диапазонах самая большая прозрачность кварца, из которого делается волокно. На этих частотах, как можно увидеть на .
(рис 3.6) Зависимость затухания в оптическом волокне от длины волны
| Тип оптического кабеля | d/D мкм | NA | Погонное затухание дБ/км | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 850 нм | 1350 нм | 1550 нм | |||
| Одномодовый | 9,5/125 | 0,15 | - | 0,4 | 0,3 |
| Многомодовый градиентный | 50/125 | 0,2 | 2,5 | 0,7 | - |
| 62,50/125 | 0,275 | 3 | 1 | - | |
| 80/125 | 0,28 | 3,5 | 1,5 | - | |
| 100/140 | 0,4 | 5 | - | - | |
| Многомодовый ступенчатый | 200/280 | 0,4 | 5 | - | - |
| 200/280 | - | 6 | - | - | |
| Примечание:d/D – отношение диаметра сердцевины к диаметру оболочки, NA – числовая аппертура | |||||
Хроматическая дисперсия возникает в том случае, если световой сигнал состоит из волн разных длин. Хроматическая дисперсия — один из механизмов, лимитирующих полосу пропускания волоконно-оптических кабелей, ухудшающих распространение импульсов сигнала, который состоит из различных цветов проходящего света (некогерентность сигнала). Различные длины волн распространяются с различной скоростью. Хотя большинство оптических источников имеют одинаковый диапазон светового луча, каждая волна с различной длиной прибывает за различное время, и поэтому оказывается, что передаваемый импульс размывается. Количественно дисперсия измеряется относительно скорости распространения волн с различной длиной, входящих в световой сигнал. Большая дисперсия означает, что волны распространяются с большой разницей по скорости. Низкая дисперсия указывает, что сигналы, смежные по длине волны, распространяются приблизительно с одинаковой скоростью. Упорядочение дисперсии состоит в том, чтобы снизить разницу распространения сигналов разной длины волны по всему диапазону. Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волновой составляющих и происходит при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне, ввиду отсутствия межмодовой дисперсии. Материальная составляющая отражает зависимость показателя преломления волокна от длины волны. В выражение для дисперсии одномодового волокна входит характеристика материала, а именно зависимости показателя от длины волны.
$$\tau_{mat}(\Delta\lambda)=\Delta\lambda\times L\times M(\lambda),$$где
В выражение для дисперсии одномодового волокна входит показатель преломления материала, а именно — дифференциальная зависимость показателя от длины волны $$M(\lambda)$$. Эта составляющая определяется скоростью (дифференциалом) возрастания или уменьшения показателя преломления в зависимости от длины волны. С увеличением длины волны этот показатель может быть положительным (коэффициент преломления возрастает) или отрицательным (коэффициент преломления убывает).
Волновая дисперсия определяется временем распространения сигнала в зависимости от длины волны. Дифференциал такой функции всегда положительный (время распространения с увеличением длины волны только возрастает).
$$\tau_{w}(\Delta\lambda)=\Delta\lambda\times L\times N(\lambda),$$где
Итоговая удельная хроматическая дисперсия $$D(\lambda)$$ равна
$$D(\lambda)=M(\lambda)+N(\lambda)$$И здесь важным является то, что при определенной длине волны (примерно $$1310\pm 10$$нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация $$M(\lambda)$$и $$N(\lambda)$$, а результирующая дисперсия $$D(\lambda)$$ обращается в нуль. Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии $$\lambda_0$$. Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться $$\lambda_0$$ для данного конкретного волокна. Для борьбы с хроматической дисперсией можно рекомендовать следующие методы.
1. В качестве рабочей длины волны выбирать длину, при которой хроматическая дисперсия минимальна.
2. Выбирать источник с узким спектром.
3. Использовать для передачи сигналов узкие однополярные импульсы.
4. Применять оптическое волокно, компенсирующее дисперсию (волокно со смещенной или выровненной дисперсией). На . Как видно из рис.3.7 , длина волны нулевой дисперсии $$\lambda_0$$ для многомодового градиентного и одномодового ступенчатого кабелей — 1300 нм и для одномодового со смещенной дисперсией — 1500 нм. В реальных кабелях вследствие производственных допусков типичные значения дисперсии порядка 1-3,5 пс/км нм.
Установлено, что при определенной форме сигнала (рис 3.8) он имеет наименьшую дисперсию. Такие импульсы называются солитонами.
Имеется два типа приборов, преобразующих электрический сигнал в световой, — это светодиоды и лазерные диоды.
. Область спектра генерируемого сигнала $$\Delta\lambda= 30 \times 50 нм$$ при длине волны основного сигнала 850 нм и 70 или 120 при длине волны основного сигнала 1300 нм. На рисунке максимальная мощность обозначена 1. Типовое значение возбуждаемой максимальной мощности для различных типов диодов различна и находится в пределах от 20 до 10 дБ. Некогерентность светодиодов ограничивает их применение.
(рис 3.7) Кривые временных задержек и удельной хроматической дисперсии
| Тип волокна | $$\lambda$$,(нм) | Межмодовая дисперсия, пс/км $$\tau_{mod}$$ | Удельная хроматичская дисперсия пс/(им км)$$D(\lambda)$$ |
|---|---|---|---|
| MMF50/125 | 850 | 414 ($$\Delta=0,02, n_1=1,46$$) | 99,6 ($$\lambda_0=1322-1354нм, S_0\leqslant 0,097пс /(нм^2 км)$$) |
| 1310 | 414 | 1,0 | |
| 1550 | 414 | 19,2 | |
| 850 | 973 ($$\lambda_0=1297-1316нм, S_0\leqslant 0,101пс/(нм^2 км)$$) | 106,7 ($$\lambda_0=1301,5-1321,5 нм, S_0\leqslant 0,092пс /(нм^2 км)$$) | |
| 1310 | 973 | 4,2 | |
| 1550 | 973 | 17,3 | |
| SF 8/125 | 1310 | 0 | <1,8$$(\lambda_0=1525-1565нм, S_0\leqslant 0,085пс /(нм^2 км))$$ |
| 1550 | 0 | 17,5 | |
| 1310 | 0 | 21,2 6 | |
| 1550 | 0 | <1,7 |
(рис 3.8) Форма импульса типа "солитон"
Самые главные достоинства светоизлучающих светодиодов — это:
(рис 3.9) Спектральная характеристика светодиода
(рис 3.10) Характерные спектральные характеристики лазерных диодов: а) Многомодовые, б) Одномодовые
Для светодиодов ), по сравнению со светодиодом . Принцип излучения лазерных диодов позволяет использовать модуляцию по параметрам световой волны, например частотную. Кроме того, они характеризуются максимальной для полупроводниковых излучателей мощностью до нескольких сотен милливатт, минимальной шириной спектра и очень узкой направленностью. На рис. 3.10 видно, что как многомодовые, так и одномодовые лазерные диоды имеют значительно более узкий спектр, чем светодиоды, и это обеспечивает меньшую хроматическую дисперсию.
Поскольку лазерные диоды отличаются более сложной конструкцией и большими электрическими нагрузками по сравнению со светодиодами, они уступают последним в надежности,
| Параметры | Светодиод | Лазерные диоды |
|---|---|---|
| Длина волны | 850, 350 | 1350,550 |
| Выходная мощность | 0,5 – 11,5 мВт | 3 – 10 мВт |
| Время нарастания | 1 – 20 нс | 1 – 2 нс |
| Диапазон тока | 5 – 150 мА | 100 – 500 мА |
| Ширина спектра | 50 – 120 нм | 0,4 – 1,0 |
Приемник излучения должен преобразовать оптический сигнал в электрический. Поскольку информационный сигнал содержится в модулированном световом потоке, этот поток должен быть принят как можно полнее и без искажений. Так как рабочая поверхность приемника намного больше сечения световода, потери при переходе излучения в приемник будут намного меньше, чем при переходе от источника в линию. Для приема излучения могут использоваться фотодиоды - полупроводниковые приборы на основе групп кремния и германия. В обычных фотодиодах формируется ток, зависящий от интенсивности падающего излучения, их отличают хорошая линейность и стабильность работы, малое время отклика, но они не обеспечивают усиление фототока.
Эти полупроводниковые приборы также строятся на основе кремния и германия.
В p-i-n (PIN) фотодиодах между слоями с разной проводимостью (p и n) вводится слой с собственной проводимостью (i-область), который при подаче обратного напряжения смещения обедняется свободными носителями. В результате поглощения света будут образовываться электроны-носители, которые будут ускорять сильное электрическое поле. PIN-фотодиоды обладают большей, чем фотодиоды, чувствительностью. Их барьерная емкость мала, за счет чего обеспечиваются хорошие частотные характеристики (граничная частота — до 1 ГГц). Для них требуется небольшое напряжение обратного смещения (менее 5В).
Лавинные фотодиоды обладают внутренним усилением и отличаются от p-i-n фотодиодов наличием еще одного дополнительного слоя. При высоких обратных напряжениях смещения (порядка 100 В) в них образуется сильное ускоряющее поле. В поле происходит лавинное размножение носителей, образующихся под влиянием света, то есть усиление фототока. Эти приборы характеризуются высокой чувствительностью, большим усилением и высоким быстродействием, однако, их использование затруднено сложностью, высокой стоимостью, высокими рабочими напряжениями, необходимостью стабилизации напряжений и температур и работой только в режиме усиления слабого сигнала. Характеристики оптических приемников приведены в табл. 3.5.
| Параметры | p – i – n | Лавинный фотодиод | Фототранзистор |
|---|---|---|---|
| Чувствительность | 0,5 мка/мкВт | 15мка/мкВт | 35мка/мкВт |
| Время нарастания | 1 нс | 2 нс | 2 мкс |
| Напряжение смещения | 10 В | 100 В | 10 В |
Одним из критических мест волоконных систем являются сращивание волокон и разъемы. Учитывая диаметр центральной части волокна, нетрудно предположить, к каким последствиям приведет смещение осей стыкуемых волокон даже на несколько микрон (особенно в одномодовом варианте, где диаметр центрального ядра менее 10 микрон) или деформация формы сечения волокон. Соединители для оптических волокон имеют обычно конструкцию, показанную на рис. 3.11 , и изготовляются из керамики. Потеря света в соединителе составляет 0,2 дБ. Для сравнения: сварка волокон приводит к потерям не более 0,001-0,1дБ. Существует также техника механического сращивания волокон, которая характеризуется потерями около 10% (
С использованием оптических волокон можно создавать не только кольцевые структуры. Возможно построение фрагмента сети, по характеру связей эквивалентного кабельному
сегменту или
(рис 3.11) Схема оптического разъема
(рис 3.12) Схема пассивного оптоволоконного хаба
Кросс, предназначенный для оптического кабеля, относится к кроссам высокой плотности, т.е. количество подключаемых пар на единицу площади превышает предыдущие системы (например, цифровые системы уплотнения). К такому кроссу предъявляются стандартные требования:
Высокая плотность и хрупкость (высокая вероятность повреждения в условиях эксплуатации) приводят к новым решениям. Еще одна особенность оптических кабелей состоит в специфике распространения света по волокну. При перегибе волокна больше защитного радиуса в 30 мм в нем возникает рассеяние оптической мощности, и затухание в кабеле значительно возрастает. Поэтому помимо бережной эксплуатации появляется еще одно требование — геометрического свойства: ни при каких обстоятельствах радиус перегиба не должен превышать критический. В соответствии с новыми нормами и стандартами безопасности OSHA (Occupational Safety and Health Administration — законы о технике безопасности и гигиене труда США) оптические кроссы должны обеспечивать максимальную защиту глаз оператора от возможного лазерного излучения при кроссировке кабелей. Особенно это важно для кроссов высокой плотности. Особенностью кроссов высокой плотности является принципиальная невозможность использования вертикальных или фронтальных методов доступа к кабелям. Фронтальные методы не обеспечивают в полной мере необходимую плотность кроссовых соединений и не столь безопасны для персонала. Вертикальный доступ неудобен при работе с отдельными волокнами.
В последнее время заметного удешевления оптических каналов удалось достичь за счет мультиплексирования с делением по длине волны , . Волновое мультиплексирование (Wave Division Multiplexing,
(рис 3.13) Мультиплексирование с делением по длине волны в оптическом волокне
Эта достигается с помощью нескольких компонент. Во-первых, передаваемые данные должны посылаться на определенной несущей длине волны. Обычно волновое мультиплексирование
Существует два типа систем
Первое и главное состоит в увеличении объема информации, передаваемого по оптическому волокну. В этом случае большое количество потоков данных передаются по небольшому количеству оптических кабелей. Это дает возможность значительно увеличить пропускную способность оптического кабеля. Так, при скорости 10 Гбит/с на канал
Второе приложение
Устройства для организации
При передаче одиночного оптического сигнала (см рис 3.13а) каждый регенератор преобразует оптический сигнал в электрический, корректирует временные параметры, выделяет передаваемую информацию и в результате управляет лазерным передатчиком для регенерации сигнала и преобразование оптического сигнала в электрический сигнал требует больших затрат, поскольку применяет очень дорогие компоненты (лазеры и сверхскоростную электронику).
imОптические системы передачи: а) с линейной регенерацией; б)
Схема, показанная на рис. 3.13б, передает составной
Указания к решению задачи 2
Для решения используем приведенную в тексте формулу
$$\tau_{mat}(\Delta\lambda)=\Delta\lambda\times L\times M(\lambda),$$где
Введем показатель "максимально допустимая величина расширения импульса" (она зависит от кода, применяемого для передачи сигналов): импульса" (она зависит от кода, применяемого для передачи сигналов):
$$\tau_{max}(\Delta\lambda)\leqslant kT$$Подставляя выражение в предыдущую формулу, получаем
$$kT=\Delta\lambda\times L\times M(\lambda),$$или
$$\frac L T=\frac{k}{\Delta\lambda\times M(\lambda)},$$Учитывая, что
$$B=\frac 1 T$$где $$B$$ — ширина полосы пропускания, получаем формулу коэффициента широкополосности, по которой следует проводить вычисления:
$$BL\leqslant \frac{k}{\Delta\lambda\times M(\lambda)},$$
Для получения официальных документов о завершении программы дополнительного профессионального образования (удостоверения о повышении квалификации, дипломов о профессиональной переподготовке и MBA) необходимо предоставить:
Внимание! Вы можете не заказывать доставку бумажной версии официального документы, а скачать его в электронном виде и распечатать самостоятельно. Информация о выданном документе в течение 1 месяца загружается в Федеральную информационную систему «Федеральный реестр сведений о документах об образовании и (или) о квалификации, документах об обучении» - ФИС ФРДО.
Доступ на новый сайт осуществляется с использованием адреса электронной почты, который был указан вами при регистрации на "старом". Мы постарались перенести все ваши данные с прежнего ресурса, однако не исключена вероятность потери части информации.
При возникновении проблемы со входом, воспользуйтесь функцией сброса пароля
Если вы обнаружите несоответствия, пожалуйста, сообщите нам.