НОУ ИНТУИТ | Оконечные устройства и линии абонентского участка информационной сети. Лекция 7: Оптоволоконные кабели

Опубликован: 26.10.2007 | Уровень: специалист | Доступ: свободно

Вам нравится? Нравится 23 студентам

| Поделиться |

Поддержать программу

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

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.
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?
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 $\tau_{mat}(\Delta \lambda)$ — дисперсия, выраженная в пикосекундах на км на нанометр) (пс/км•нм);

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

$\Delta \lambda$ — 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

$\frac{L}{T} \le \frac{k}{\Delta \lambda \cdot M(\lambda)}$

Учитывая, что

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

$BL \le \frac{k}{\Delta \lambda \cdot M(\lambda)}$
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
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