Оптоволоконные кабели

Краткие итоги

• Передача информации по волоконно­оптическому кабелю имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю: широкая полоса пропускания, малое затухание светового сигнала в волокне, низкий уровень шумов, защищенность от электромагнитных помех, малый вес и объем, высокая безопасность от несанкционированного доступа, гальваническая развязка элементов сети, пожаробезопасность, уменьшение требований к линейно­кабельным сооружениям, экономичность, длительный срок эксплуатации.
• Оптоволоконный кабель содержит три основных элемента: оплетка, оболочка, сердцевина.
• 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.
• Максимальный угол, при котором для вводимого в волокно светового излучения обеспечивается полное внутреннее отражение, называется числовая апертура.
• При построении сетей могут использоваться многожильные кабели.
• Оптические волокна, в которых допускается прохождение лучей к приемнику многочисленными путями, называются многомодовыми.
• Запаздывающие лучи приводят к расширению передаваемых импульсов. Это явление называется дисперсией. Величина этого расширения прямо пропорциональна ширине импульса и обратно пропорциональна скорости передачи.
• Пропускная способность оптического кабеля, которая характеризуется коэффициентом широкополосности (BDF — Bandwidth Distance Factor).
• Волокна, у которых на границе "оболочка-сердцевина" происходит скачок коэффициента преломления, называются волокнами со ступенчатым показателем преломления.
• Волокна с изменяющимся показателем преломления по указанному выше закону называется градиентными и имеют коэффициент широкополосности на два порядка больше, чем ступенчатые волокна.
• Затухание измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение или рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощения зависят от прозрачности материала, из которого изготовлено волокно. Потери на рассеяние зависят от неоднородности преломления материала.
• Хроматическая дисперсия возникает в том случае, если световой сигнал состоит из волн разных длин. Хроматическая дисперсия — один из механизмов лимитирующих полосу пропускания волоконно­оптических кабелей, ухудшающих распространение импульсов сигнала, который состоит из различных цветов проходящего света (некогерентность сигнала).
• Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и происходит при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне.
• Материальная составляющая отражает свойства зависимости показателя преломления волокна от длины волны. В выражение для дисперсии одномодового волокна входит характеристика материала, а именно — зависимости показателя от длины волны. 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. Она всегда положительная (время распространения с увеличением длины волны только возрастает).
• При определенной длине волны (примерно 1310 ± 10 нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация материальной и волновой дисперсий, а результирующая дисперсия обращается в нуль. Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии ?0. Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться ?0 для данного конкретного волокна.
• Установлено, что при определенной форме сигнала он имеет наименьшую дисперсию. Такие импульсы называются солитонами.
• Имеется два типа приборов, преобразующих электрический сигнал в световой — это светодиоды и лазерные диоды. Светодиоды (LED — Light-Emitting Diode) генерируют некогерентное излучение (сигнал содержит составляющие из нескольких длин волн).

  Принцип излучения светодиодов позволяет модуляцию только по интенсивности излучения. Мощность излучения светодиодов может достигать нескольких десятков мкВт.
• Лазерный диод обеспечивает когерентное излучение. Его луч обладает более узким спектром, по сравнению со светодиодом. Принцип излучение лазерных диодов позволяет использовать модуляцию по параметрам световой волны, например частотную.
• Лазерные диоды отличаются более сложной конструкцией и большими электрическими нагрузками по сравнению со светодиодами, но они уступают последним в надежности, удобстве эксплуатации и стоимости.
• 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.
• Фототранзисторы имеют высокую чувствительность и хорошее усиление, но из-за большой барьерной емкости время отклика у них большое, то есть частотные характеристики хуже, чем у диодов.
• p-i-n обладают большей чувствительностью, чем светодиоды. Их барьерная емкость мала, за счет чего обеспечиваются хорошие частотные характеристики (граничная частота — до 1 ГГц).
• Лавинные диоды 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.
• Одними из критических мест волоконных систем являются сращивание волокон и разъемы. Потеря света в соединителе составляет 10-20%. Для сравнения: сварка волокон приводит к потерям не более 1-2%.
• 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).
• Волновое мультиплексирование (Wave Division Multiplexing — WDM) — это концепция объединения нескольких потоков данных по одному физическому волоконно­оптическому кабелю. Такое увеличение емкости кабеля достигается исходя из фундаментального принципа физики. Он состоит в том, что лучи света с разными длинами волн не взаимодействуют между собой. Основная идея систем WDM состоит в использовании нескольких длин волн (или частот) для передачи отдельного потока данных на каждой из них.
• Существует два типа систем WDM, обеспечивающих грубое (CWDM) или плотное (DWDM) разделение шкалы длин волн. Системы CWDM обычно обеспечивают передачу от 8 до 16 длин волн с шагом в 20 нм, от 1310 до 1630 нм. Системы DWDM работают с количеством длин волн до 144, обычно с шагом менее 2 нм примерно в том же диапазоне длин волн.
• Главное приложение WDM-систем состоит в увеличении емкости оптического волокна. В этом случае большое количество потоков данных передаются по небольшому количеству оптических кабелей. Это дает возможность значительно увеличить пропускную способность оптического кабеля. Другое приложение — использование WDM в сетях абонентского доступа.

Задачи и упражнения

1. Используя таблицу 7.1, определите максимально допустимую длину по затуханию оптической линии, которая может быть обслужена в соответствии с параметрами оптического кабеля, указанными в таблице 7.2, и функционирует в следующих условиях:
   • одномодовый кабель 9,5/125, работающий на длине волны 1350 нм;
   • одномодовый кабель 9,5/125, работающий на длине волны 1550 нм;
   • многомодовый градиентный 50/125, работающий на длине волны 850 нм.;
   • многомодовый градиентный 50/125, работающий на длине волны 1350 нм;
   • многомодовый градиентный 100/140, работающий на длине волны 1350 нм;
   • многомодовый градиентный 200/280, работающий на длине волны 850 нм.

   Принимаем разность между допустимой выходной мощностью источника и входной мощностью, необходимой приемнику, при максимальном коэффициенте ошибок равной 42 дБ.
2. Определите максимально допустимую длину оптической линии по дисперсии, которая может быть обслужена в соответствии с параметрами оптического кабеля, указанными в тексте этой главы и приведенными повторно ниже. Примем при этом полосу пропускания равной 90 Мбит/c и коэффициент широкополосности (BDF — Bandwidth Distance Factor).

   200 МГц/км

   800 МГц/км

   50 ГГц/км

   100 ГГц/км

   Сравните с результатом предыдущей задачи. Какой из показателей больше ограничивает расстояние?
3. Определить коэффициент широкополосности (BDF) в оптоволоконной системе при следующих условиях:
   • длина волны 850 нм
   • ширина спектра светодиода 50
   • дисперсия 3,5 пс-км (почти "нулевая" хроматическая дисперсия, с учетом допусков на изготовление)
   • максимально допустимая величина расширения

   Указания к решению задачи 2

   Для решения используем приведенную в тексте формулу

   

   где — дисперсия, выраженная в пикосекундах на км на нанометр) (пс/км•нм);

   — дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны (или коэффициент дисперсии волокна) в пс/км-нм;

   — спектр источника в нанометрах (нм);

   — длина кабеля.

   Введем показатель "максимально допустимая величина расширения импульса" (она зависит от кода, применяемого для передачи сигналов):

   

   Подставляя выражение в предыдущую формулу, получаем

   

   или

   

   Учитывая, что

   

   где — ширина полосы пропускания, получаем формулу коэффициента широкополосности, по которой следует проводить вычисления:

   
4. Определить коэффициент широкополосности (BDF) в оптоволоконной системе при следующих условиях:
   • длина волны 1550 нм
   • ширина спектра светодиода 0,4
   • дисперсия 3,5 пс/км-нм (почти "нулевая" хроматическая дисперсия, с учетом допусков на изготовление)
   • максимально допустимая величина расширения
5. Определить допустимую ширину спектра светодиода при следующих условиях:
   • длина волны 1550 нм
   • коэффициент широкополосности 500 Мбит
   • дисперсия 3,5 пс/км-нм (почти "нулевая" хроматическая дисперсия, с учетом допусков на изготовление)
   • максимально допустимая величина расширения