Оптические каналы связи

Поглощение света в волокне происходит по нескольким причинам. Поглощение в собственно стекле волокна падает с уменьшением частоты, в то время как потери из-за рассеяния на дефектах стекла (релеевское рассеяние) с увеличением частоты растет. При сгибании волокна поглощение также увеличивается. По этой причине следует избегать малых радиусов изгиба (кроме всего прочего, это может привести к растрескиванию и обрыву). В результате потери света в волокне обычно лежат в диапазоне (2-5) дБ/км для длин волн . Зависимость поглощения света в волокне от длины волны показана на рис. 9.3. Используемые диапазоны отмечены на рисунке серыми полосами. Все эти диапазоны имеют ширину 25000 - 30000 ГГц.

Рис. 9.3. Зависимость поглощения света в волокне от длины волны

При прокладке трасс следует также проявлять расчетливость и осторожность. Так, в ИТЭФ несколько лет назад между двумя зданиями был проложен 8-волоконный кабель. На одном из участков не было готовых кабельных каналов, и мы проложили его по воздуху, подвесив к тросу из нержавеющей стали. Кабель был нами разделан, померено затухание сигнала (доли децибела), и около полутора лет он работал без замечаний. Потом мы обнаружили потерю сигнала в одном из волокон и были вынуждены перевести сигнал на одно из резервных. Через некоторое время отказало и оно. Сначала мы предположили плохую заделку кабеля, потом грешили на не слишком хорошую прокладку кабеля на первом этаже одного из зданий (радиус изгиба был около полуметра). В конце концов, нам пришлось пригласить знакомых специалистов из управления перспективных технологий с рефлектометром, которые указали, что имеет место обрыв в 66 метрах от точки разделки кабеля. Что же оказалось?

Обнаружить причину было непросто, даже имея достаточно точное указание. Обрыв был на высоте около 4 м и с земли не виден. В одном месте в 30-40 см от троса находился ствол тополя, который при ветре по нему ударял. Трос перемещался в горизонтальной плоскости. С одной из сторон, где кабель уходил с троса вниз, он огибал болт. При монтаже эта часть кабеля была помещена в стальной рукав, но в процессе раскачивания троса рукав сполз вниз. Резьба болта работала как пила, сначала была повреждена изоляция, затем стальная оплетка и, наконец, были оборваны волокна одно за другим (4 из 8). Дальнейшее разрушение приостановил центральный встроенный в оптический кабель стальной трос. На эту разрушительную "работу" ушло более года, ведь сильный ветер дует не каждый день, да и перепилить стальную проволоку защитной оплетки не простая задача. Пришлось пригласить специалистов, которые устранили обрыв, сварив волокна заново. Надеюсь, что наш негативный опыт окажется полезным для других.

Из рисунка видно, что минимумы поглощения приходятся на 1300 и ~1500 нм, что и используется для целей телекоммуникаций. При длине волны 1300 нм дисперсия скоростей распространения различных длин волн минимальна. Диапазон ~850 нм характеризуется высоким поглощением, но он привлекателен тем, что как лазеры, так и электроника могут быть изготовлены из одного материала (арсенида галлия). Зависимость дисперсии от длины волны показана на рис. 9.4.

Рис. 9.4. Зависимость дисперсии от длины волны

Из рисунка видно, что в области ниже 1300 нм более длинные волны движутся быстрее коротких. Для длин волн >1300нм имеет место обратная ситуация – более длинные волны движутся медленнее коротких. Для одномодовых волокон определяющий вклад в искажения вносится дисперсией скоростей распространения, для многомодовых основной вклад вносит модовая дисперсия. Зависимость полосы пропускания волокна от его длины приведена на рис. 9.5.

Рис. 9.5. Зависимость полосы пропускания волокна от его длины

Типовые характеристики оптических волокон приведены в таблице 9.3. (См. также Дональд Дж. Стерлинг, Волоконная оптика. Техническое руководство. Изд. "ЛОРИ, Москва, 1998 а также Дж. Гауэр, Оптические системы связи. Москва, "Радио и связь", 1989). А в данной таблице – цифровая апертура волокна.

Таблица 9.3. Типовые параметры волокон

Тип волокна	ядра [мкм]	клэдинга	NA	Максимальное затухание [дб/км]					Полоса пропускания [МГц/км]
				650	790	850	1300	1550
Одномодовое	3,7	80(125)		10					500 @ 850нм 6 дисп./км (*)
	5,0	80(125)			2,3
	9,3	125	0,13				0,4	0,3
	8,1	125	0,17				0,5	0,25
Сглаженный индекс	50	125	0,20			2,4	0,6	0,5	600@850нм 1500@1300нм
	62,5	125	0,275			3,0	0,7	0,3	200@850нм 1000@1300нм
	85	125	0,26			2,8	0,7	0,4	200@850нм 400@1300нм
	100	140	0,29			3,5	1,5	0,9	300@850нм 500@1300нм
Ступенчатый индекс	200	380	0,27			6,0			6@850нм
	300	440	0,27			6,0			6@850нм
PCS	200	350	0,3		10				20@790нм
Пластик	485	500	0,5	240					5@680нм
	735	750	0,5	230
	980	1000	0,5	220
* Дисперсия на нанометр ширины источника.

Одним из критических мест волоконных систем являются сростки 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. 9.6, и изготовляются из керамики. Оптические аттенюаторы для оптимального согласования динамического диапазона оптического сигнала и интервала чувствительности входного устройства представляют собой тонкие металлические шайбы, которые увеличивают зазор между волокном кабеля и приемником.

Рис. 9.6. Схема оптического разъема

Если длина волокна должна быть значительной из-за расстояния, которое нужно перекрыть, а потребителей по дороге нет, приходится ставить промежуточные усилители сигнала (см. рис. 9.7, присутствие ЭВМ необязательно).

Рис. 9.7. Промежуточный волоконный усилитель

С использованием оптических волокон можно создавать не только кольцевые структуры. Возможно построение фрагмента сети, по характеру связей эквивалентного кабельному сегменту или хабу. Схема такого фрагмента сети представлена на рис. 9.8 (пассивный хаб-концентратор). Базовым элементом этой субсети является прозрачный цилиндр, на один из торцов которого подключаются выходные волокна всех передатчиков интерфейсов устройств, составляющих субсеть. Сигнал с другого торца через волокна поступает на вход фото приемников интерфейсов. Таким образом, сигнал, переданный одним из интерфейсов, поступает на вход всех остальных интерфейсов, подключенных к этой субсети. При этом потери света составляют 2С + S + 10*log(N), где С — потери в разъеме, S — потери в пассивном разветвителе, а N — число оптических каналов ( N может достигать 64). Современные микросхемы приемопередатчиков (корпус DIP) имеют встроенные разъемы для оптического кабеля (62,5/125мкм или 10/125 мкм). Некоторые из них (например, ODL 200 AT&T) способны осуществлять переключение на обходной оптический путь (bypass) при отключении питания.

Рис. 9.8. Схема пассивного оптоволоконного хаба (разветвителя)

Преимущество оптического волокна перед проводной системой связано с физическими процессами, происходящими в нем. Электроны, движущиеся в проводнике, взаимодействуют с его атомами и другими электронами, в том числе, за счет создаваемого электромагнитного поля. Фотоны в волокне не взаимодействуют друг с другом и, тем более, с фотонами за пределами волокна и не покидают волокно через его боковые поверхности. Все это делает волокна привлекательными с точки зрения безопасности – трудно сделать ответвление. Интерфейсное оптоволоконное оборудование на сегодняшний день стоит дороже устройств для работы с проводниковыми каналами, и при длине канала в несколько метров скрученные пары пока предпочтительнее.

В последнее время заметного удешевления оптических каналов удалось достичь за счет мультиплексирования с делением по длине волны. За счет этой техники стало возможно в 16-32 раза увеличить широкополосность канала из расчета на одно волокно. Схема мультиплексирования показана на рис. 9.9. На входе канала сигналы с помощью призмы объединяются в одно общее волокно. На выходе с помощью аналогичной призмы эти сигналы разделяются. Число световых потоков на входе и выходе может достигать 64 и более.

Рис. 9.9. Мультиплексирование с делением по длине волны в оптическом волокне