Физический уровень сетевой модели

4.3. Волоконно-оптические кабели

В качестве среды передачи сигналов в сетях наряду с медными кабелями широко используются волоконно-оптические кабели (fiber optic). Достоинством волоконно-оптического кабеля является отсутствие необходимости свивания волокон или их экранирования, т.к. отсутствуют проблемы перекрестных помех (crosstalk) и электромагнитных помех от внешних источников. Это позволяет передавать сигналы с большей скоростью и на большее расстояние по сравнению с медным кабелем.

Передача оптических сигналов производится в трех диапазонах (окнах прозрачности) оптического волокна (ОВ) со средней длиной волны 830 нм, 1310 нм, 1550 нм, где затухание a существенно меньше, чем на соседних участках инфракрасного диапазона ( рис. 4.5). Причем, затухание снижается примерно вдвое при переходе к более длинноволновому диапазону.

Рис. 4.5. Зависимость затухания ОВ от длины волны

Оптическое волокно представляет собой двухслойную цилиндрическую структуру в виде сердцевины (оптического световода) и оболочки. Причем, сердцевина и оболочка имеют разную оптическую плотность или показатель преломления . Чем больше оптическая плотность материала, тем больше замедляется свет по сравнению со скоростью в вакууме. Значение показателя преломления сердцевины выше показателя преломления оболочки ().

Передача оптического излучения по световоду реализуется за счет свойства внутреннего отражения, которое обеспечивается неравенством показателей преломления сердцевины и оболочки , при этом сердцевина с большим показателем преломления является оптически более плотной средой. Когда луч света 1 ( рис. 4.6)падает на границу раздела двух прозрачных материалов с коэффициентами преломления и , причем , свет делится на две части. Часть светового луча отражается назад в исходную среду (сердцевину) с углом отражения равным углу падения . Другая часть энергии светового луча пересекает границу раздела двух сред и поступает во второе вещество (оболочку) под углом . Эта часть энергии, попавшая в оболочку, характеризует потери энергии, которая должна была распространяться по сердцевине.

Рис. 4.6. Отражение и преломление лучей света

При увеличении угла падения возрастает угол преломления . При некотором значении угла , называемом критическим , луч 2 ( рис. 4.6) не преломляется; часть его отражается, а часть скользит вдоль границы раздела, т.е. угол преломления равен . При условии, что угол падения будет больше критического и , наступает эффект полного внутреннего отражения, когда вся энергия светового луча остается внутри сердцевины, т.е. луч света распространяется по световоду без потерь на большое расстояние.

Диапазон углов падения луча света на торец оптического волокна, при котором реализуется первое условие полного внутреннего отражения (), называется числовой апертурой волокна ( рис. 4.7). Лучи света должны входить в сердцевину только под углом, находящимся внутри числовой апертуры волокна.

Рис. 4.7. Ввод луча света в оптическое волокно

Поскольку составляющие луча света входят в оптическое волокно под разными углами, то они отражаются от границы раздела сердцевины и оболочки под разными углами, при этом взаимодействуют между собой (интерферируют) и частично подавляют или усиливают друг друга. Оставшиеся усиленные составляющие части луча света формируют так называемые моды.

Поскольку моды проходят разное расстояние до устройства назначения ( рис. 4.8а), то формируемый на выходе оптического волокна импульс не только задерживается на время tз и подвергается затуханию (когда снижается его уровень), но и получается размытым ( рис. 4.8б).

а)	б)
Рис. 4.8. Прохождение импульсного сигнала по оптическому волокну

Явление размыва (уширения) импульса на выходе оптического волокна получило название дисперсия. Таким образом, наличие многих мод в оптическом волокне приводит к появлению межмодовой дисперсии передаваемого импульсного сигнала. Из-за дисперсии снижается скорость передачи данных, т.к. размытые импульсы накладываются друг на друга, и уменьшается расстояние, на которое можно передать данные. Возникновение многих мод в оптическом волокне возможно, когда диаметр сердцевины сравнительно большой. Такое волокно называется многомодовым (multi mode - ММ). В многомодовом оптическом кабеле используется волокно с сердцевиной диаметром 62,5 или 50 микрон и оболочкой диаметром 125 микрон. Такие кабели обозначаются 62,5/125 или 50/125.

Для снижения влияния многих мод на величину дисперсии при большом диаметре сердцевины (50/125) разработано специальное многомодовое волокно с градиентным показателем преломления.

Одномодовое волокно (single mode - SM) имеет меньший диаметр сердцевины, что позволяет только одной моде луча света распространяться по сердцевине вдоль оси волокна ( рис. 4.9). Диаметр сердцевины одномодового волокна уменьшен до значения 8 - 10 микрон. Обычно одномодовое волокно маркируют следующим образом - 9/125. Это означает, что диаметр сердцевины составляет 9 микрон, а оболочки - 125 микрон. Одномодовое волокно более дорогое по сравнению с многомодовым.

Рис. 4.9. Одномодовое волокно

Однако в одномодовых кабелях выше скорость передачи данных и больше расстояние, на которое могут быть переданы данные. Поэтому кабели с одномодовым волокном используется в локальных сетях и сетях доступа для соединений между зданиями, а в технологиях транспортных сетей - для междугородней связи.

В одномодовом волокне межмодовая дисперсия отсутствует. Однако, присутствует хроматическая дисперсия характерная как для многомодового, так и для одномодового волокна. В многомодовом волокне она незаметна на фоне большого значения межмодовой дисперсии. Хроматическая дисперсия возникает из-за того, что волны света разной длины проходят через оптическое волокно с несколько различными скоростями. То есть, дисперсия возникает из-за нелинейности фазо-частотной характеристики ОВ. В идеале источник света (светодиод или лазер) должны генерировать свет только одной частоты, тогда хроматической дисперсии не было бы. Однако лазеры, и особенно светодиоды, генерируют спектр частот (длин волн). Поэтому расстояние и скорость передачи данных ограничиваются как дисперсией, так и затуханием сигнала в волокне.

Таким образом, хроматическая дисперсия одномодового оптического волокна зависит от длины волны. Параметры ОВ определяются рекомендациями Международного союза электросвязи (G.652, G.653, G.654, G.655). Для стандартного одномодового оптического волокна (G.652) эта зависимость проходит через ноль на длине волны 1310 нм. Поэтому для работы в длинноволновом диапазоне (), где наименьшее затухание ( рис. 4.5), разработано одномодовое оптическое волокно (G.653) со смещенной дисперсией, у которого нулевое значение дисперсии смещено в район 1550 нм. Оптическое волокно (G.655) со смещенной ненулевой дисперсией предназначено для работы в системах со спектральным уплотнением по длине волны WDM.

В современных линиях передачи комбинируют участки оптического волокна, характеризующиеся положительной дисперсией, с участками волокна с отрицательной дисперсией, чтобы в некоторой мере скомпенсировать дисперсию.

Расстояние передачи сигналов в локальных сетях по одномодовому волокну, определенное стандартом GigabitEthernet, составляет до 5 км, а стандартом 10GigabitEthernet - до 40 км. В линейных трактах телекоммуникационных систем на длине волны 1550 нм реализована передача данных на расстояние до 100 км без усиления и регенерации сигналов.

Для приема оптических сигналов используют фотодиоды, которые работают на длинах волн 850, 1310 или 1550 нм, преобразуя принятые оптические импульсы в электрические сигналы.

Для проверки волоконно-оптических кабелей используются различные тестеры. Наиболее полную проверку оптоволоконных кабелей реализуют оптические рефлектометры (OTDR). Тестирующий световой импульс отражается от неоднородностей волокна (обратное рассеивание), что дает возможность локализации этих неоднородностей.

Для подключения оптоволоконных кабелей к сетевым устройствам используют различные соединители (разъемы), приведенные на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Соединители (разъемы) оптоволоконных кабелей (ST, SC, FC, LC)

Прямоконечный соединитель (Straight-Tip - ST) ранее использовался с многомодовым волокном.

Разъем абонента (Subscriber Connector - SC) широко используется в настоящее время с одномодовым волокном.

Разъем FC рекомендуется для работы с одномодовым волокном.

Малогабаритный светящийся разъем (LucentConnector - LC) функционирует с одномодовым волокном, а также поддерживает многомодовое волокно.

Для соединения устройств внутри телекоммуникационных шкафов используются сравнительно короткие соединительные оптоволоконные кабели (патчкорды): многомодовый кабель SC-SC, многомодовый ST-LC, одномодовый LC-LC, одномодовый SC-ST. С многомодовыми кабелями используют соединительный кабель SC-SC.