Волоконно-оптические линии связи

Титульник

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

1 Волоконно-оптические линии связи 4

1.1 История волс 4

1.2 Пассивные компоненты ВОЛС 5

1.3 Физическая основа 6

2 Преимущества и недостатки волоконно-оптических линий связи 8

3 Принципы передачи сигналов по оптическому волокну 11

3.1 Основные параметры оптических волокон 12

4 Области применения волоконно-оптических линий связи 17

Заключение 18

Список использованных источников 19

ВВЕДЕНИЕ

Волоконно-оптические (оптико-волоконные) линии и системы связи –  вид связи, использующий в качестве носителя информационного сигнала  электромагнитное излучение оптического  диапазона, а в качестве направляющих систем – волоконно-оптические кабели. Благодаря высокой несущей частоте  и широким возможностям мультиплексирования, пропускная способность волоконно-оптических линий многократно превышает  пропускную способность всех других систем связи и может измеряться терабитами в секунду. Малое затухание света в оптическом волокне обуславливает возможность применения волоконно-оптической связи на значительных расстояниях без использования усилителей. Волоконно-оптическая связь свободна от электромагнитных помех и весьма труднодоступна для несанкционированного использования – незаметно перехватить сигнал, передаваемый по оптическому кабелю технически крайне сложно.

1. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ

Волоконно-Оптические Линии Связи (ВОЛС) - это вид системы передачи информационных данных, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим световодам, известным под названием оптическое волокно. В настоящее время ВОЛС считаются самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.

1.1 История ВОЛС

Историю систем передачи данных на большие  расстояния следует начинать с древности, когда люди использовали дымовые  сигналы. С того времени эти системы  кардинально улучшились, появились  сначала телеграф, затем — коаксиальный кабель. В своем развитии эти системы рано или поздно упирались в фундаментальные ограничения: для электрических систем это явление затухания сигнала на определённом расстоянии, для СВЧ — несущая частота. Поэтому продолжались поиски принципиально новых систем, и во второй половине XX века решение было найдено — оказалось, что передача сигнала с помощью света гораздо эффективнее как электрического, так и СВЧ-сигнала.

В 1966 году Као и Хокам из STC Laboratory (STL) представили оптические нити из обычного стекла, которые имели затухание в 1000 дБ/км (в то время как затухание в коаксиальном кабеле составляло всего 5-10 дБ/км) из-за примесей, которые в них содержались и которые в принципе можно было удалить.

Существовало две глобальных проблемы при разработке оптических систем передачи данных: источник света и носитель сигнала. Первая разрешилась с изобретением лазеров в 1960 году, вторая — с появлением высококачественных оптических кабелей в 1970 году. Это была разработка Corning Incorporated (англ.). Затухание в таких кабелях составляло около 20 дБ/км, что было вполне приемлемым для передачи сигнала в телекоммуникационных системах. В то же время, были разработаны достаточно компактные полупроводниковые GaAs-лазеры.

После интенсивных исследований в  период с 1975 по 1980 год появилась первая коммерческая волоконно-оптическая система, оперировавшая светом с длиной волны 0,8 мкм и использовавшая полупроводниковый лазер на основе арсенида галлия (AsGa). Битрейт систем первого поколения составлял 45 Мбит/с, расстояние между повторителями — 10 км.

22 апреля 1977 года в Лонг-Бич, штат  Калифорния, компания General Telephone and Electronics впервые использовала оптический канал для передачи телефонного трафика на скорости 6 Мбит/с.

Второе поколение волоконно-оптических систем было разработано для коммерческого  использования в начале 1980-х. Они  оперировали светом с длиной волны 1,3 мкм от InGaAsP-лазеров. Однако такие  системы всё ещё были ограниченны  из-за рассеивания, возникающего в канале. Однако уже в 1987 году эти системы  работали на скорости до 1,7 Гбит/с при расстоянии между повторителями 50 км.

Первый трансатлантический телефонный оптический кабель (TAT-8) был введён в эксплуатацию в 1988 году. В его основе лежала оптимизированная Э. Дезюрвиром (E.Desurvire) технология лазерного усиления. TAT-8 разрабатывался как первый подводный волоконно-оптический кабель между Соединёнными Штатами и Европой.

Разработка систем волнового мультиплексирования позволила в несколько раз увеличить скорость передачи данных по одному волокну и к 2003 году при применении технологии спектрального уплотнения была достигнута скорость передачи 10,92 Тбит/с (273 оптических канала по 40 Гбит/с). В 2009 году лаборатории Белла посредством мультиплексирования 155 каналов по 100 Гбит/с удалось передать данные со скоростью 15,5 Тбит/с на расстояние 7000 км.

1.2 Пассивные компоненты ВОЛС

Волоконно-оптическая линия связи  представляет собой структуру из пассивных и активных элементов, которая применяется для передачи данных через оптоволокно.

С помощью волоконно-оптической связи  можно создавать отдельные сети и объединять несколько существующих сетей в одну. Применяют два  метода объединения сетей: физический ( с помощью оптического волокна) и логический ( на уровне протоколов передачи данных).

 К пассивным компонентам  причисляются: оптические шнуры,  монтажные пигтейлы, оптические  кроссы, оптические розетки, разветвители  и т.д.

Оптический патчкорд - это отрезок оптического волокна, помещенный в специальную защитную оболочку. Концы этого отрезка армированны оптическими коннекторами.

Оптическими волокнами называют стеклянные или пластиковые нити, переносящие  свет. Защитная оболочка оптического  шнура, как правило, производится из поливинилхлорида, полипропилена и  других материалов. Оптические шнуры  могут передавать информацию на более  длительные расстояния и с более  высокой скоростью, чем другие средства связи. Посредством оптических шнуров все компоненты волоконно-оптической линии связи соединяются друг с другом.

Монтажный пигтейл представляет собой отрезок оптического волокна, оконцованный одним оптическим разъемом. Монтажные шнуры изготавливаются разной длины и с разными типами оптических коннекторов. С помощью монтажных шнуров осуществляется соединение специальным сварочным аппаратом оптического волокна.

Для соединения между собой оптических коннекторов используют оптические розетки

Для ответвления части оптической мощности используют оптические разветвители. Выпускает несколько типов разветвителей, различающихся на основании таких  характеристик, как тип волокна, вид коннектора, рабочая длина  волн и т.д. Оптические разветвители необходимы для создания разветвленной  древовидной архитектуры сети.

Еще одним нужным элементом волоконно-оптической линии связи являютсяоптические кроссы. Они применяются в двух целях: для соединения оптических кабелей и волоконно-оптического оборудования и для механической защиты данных соединений. Оптический кросс представляют собой металлический корпус с разъемно-коммутационной панелью, на которую устанавливаются оптические розетки. В зависимости от того, где устанавливаются шкафы они делятся на два типа: настенные и стоечные.

1.3 Физическая основа

В основе волоконно-оптической связи  лежит явление полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления (рисунок 1). Оптическое волокно состоит из двух элементов — сердцевины, являющейся непосредственным световодом, и оболочки. Показатель преломления сердцевины несколько больше показателя преломления оболочки, благодаря чему луч света, испытывая многократные переотражения на границе сердцевина-оболочка, распространяется в сердцевине, не покидая её.

Рисунок 1- Полное внутреннее отражение в оптической среде.

2 ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ

Передача информации по ВОЛС имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю. Стремительное внедрение в информационные сети ВОЛС является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне.

Широкая полоса пропускания обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 1014 Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания — это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.

Малое затухание светового сигнала  в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более.

Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания путем передачи различной модуляции сигналов с малой избыточностью кода.

Высокая помехозащищенность. 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 влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.

Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели (ВОК) 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» в множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого ВОК будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.

Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить «взламываемый» канал связи и подать сигнал тревоги. Сенсорные системы, использующие интерференционные эффекты распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации), имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Такие системы 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. Волокно помогает избежать электрических «земельных» петель, которые могут возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например, на разных этажах. При этом может возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование. Для волокна этой проблемы просто нет.

Взрыво-, пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

Экономичность ВОК. Волокно изготовлено  из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2: 5. При этом ВОК позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК. При использовании солитонных систем передачи достигнуты дальности в 4000 км без регенерации (то есть 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 ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающих систем.

Удаленное электропитание. В некоторых случаях требуется удаленное электропитание узла информационной сети. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля. Однако, в этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медным проводящим элементом.

Недостатки  волоконно-оптических линий связи  :

• Относительно высокая стоимость сварки оптических волокон. Для этого требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование. Как следствие, при обрыве оптического кабеля затраты на восстановление ВОЛС выше, чем при работе с медными кабелями.
• Относительно высокая стоимость активных элементов ВОЛС, преобразующих электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы.

3 ПРИНЦИПЫ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ПО ОПТИЧЕСКОМУ ВОЛОКНУ

В основе функционирования оптических волоконных сетей лежит принцип  распространения световых волн по оптическим световодам на большие расстояния. При этом электрические сигналы, несущие информацию, преобразуются  в световые импульсы, которые с  минимальными искажениями передаются по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС).  Большое распространение подобные системы получили благодаря целому ряду достоинств, которые есть у ВОЛС по сравнению с системами передачи, использующими медные кабели или радиоэфир в качестве среды передачи. 

Оптические волокна - один из основных компонентов ВОЛС. Они представляют собой комбинацию материалов, имеющих  различные оптические и механические свойства.  Внешняя часть волокна изготавливается обычно из пластмасс или эпоксидных композиций, сочетающих высокую механическую прочность и большой коэффициент преломления света. Этот слой обеспечивает механическую защиту световода и его устойчивость к воздействию внешних источников оптического излучения.

Основная часть стекловолокна  состоит из сердцевины и оболочки. Материалом сердцевине служит сверхчистое  кварцевое стекло, которое и является основной средой передачи оптических сигналов. Удержание светового импульса происходит вследствие того, что коэффициент  преломления материала сердцевины больше чем у оболочки. Таким образом, при оптимально подобранном соотношении  коэффициентов преломления материалов происходит полное отражение светового  луча внутрь сердцевины.

Для того чтобы передавать сигналы  по оптическим волноводам, необходимо иметь источник строго когерентного света. Для увеличения дальности передачи ширина спектра передатчика должна быть как можно меньше. Для этой цели наиболее подходят лазеры, которые, благодаря индуцированному излучению света, позволяют поддерживать постоянную разность фаз при одинаковой длине волн, В связи с тем, что диаметр сердцевины волокна сравним с длиной волны оптического излучения, в световоде возникает явление интерференции. Это может быть доказано тем, что свет распространяется в стекле сердцевины только под определенными углами, а именно в направлениях, в которых введенные световые волны при их наложении усиливаются. Говорят, что возникает конструктивная интерференция. Разрешенные световые волны, которые могут распространяться в оптическом волокне, называютсямодами(собственными волнами). Для описания процессов распространения света в оптических волокнах существуют несколько параметров, которые необходимо учитывать.

3.1 Основные параметры оптических волокон

• Затухание

В общем случае затухание – это  ослабление светового потока в оптоволокне.

Природа затухания может быть различной:

Затухание света в оптическом волокне, вызванное поглощением света. Поглощение может быть определено как превращение  мощности светового импульса в тепло, и связано с резонансом в материале  волокна. Существуют внутренние поглощения, связанные со свойствами материала  волокна и молекулярным резонансом, и внешние поглощения, определяемые наличием микропримесей в материале  волокна (например ОН-ионов). Современные  оптические волокна имеют очень  небольшое количество микропримесей, поэтому величина внешнего поглощения минимальна и может не приниматься  в расчет.

Затухание света в оптическом волокне, вызванное рассеиванием излучения. Рассеивание - один из основных факторов затухания света в оптическом волокне. Наличие этого типа затухания  связано, прежде всего, с дефектами  сердцевины оптического волокна, а  также с наличием посторонних  вкраплений и примесей в оптическом волокне. Подобные посторонние включения  значительно влияют на возможность  прохождения светового потока по правильной траектории, приводят к  его отклонению и, как следствие, превышению угла преломления и выходу части светового луча через оболочку. Кроме того, наличие неоднородностей  волокна приводит к отражению  части светового потока в обратную сторону - обратное рассеивание.

Затухания, связанные с изгибами оптического волокна. Различают  два типа изгиба волокна: микроизгиб и макроизгиб.

Микроизгиб - это микроскопические изменения геометрии сердечника волокна, появляющиеся при производстве.

Макроизгибом называют большой  изгиб оптического волокна, который  превышает минимально допустимый радиус и заставляет световой поток (или  часть его) покинуть сердцевину оптического  волокна. Минимальный радиус изгиба одномодовых волокон составляет 10 сантиметров. При таком изгибе световой импульс распространяется без сильных искажений. Уменьшение же радиуса изгиба приводит к значительному  повышению эффекта рассеивания  оптического импульса через оболочку волокна. 
Для определения полного коэффициента затухания оптического волокна должны быть учтены все факторы, перечисленные выше.

Коэффициент затухания для заданной длины волны оптического излучения  определяется как отношение вводимой в волокно оптической мощности к  мощности принятого из волокна оптического  сигнала. Обычно коэффициент затухания  измеряется в децибелах (дБ) и зависит  как от параметров оптического волокна, так и от длины волны светового  потока.

• Дисперсия

Одним из факторов, сильно влияющих на качество передачи сигналов в световодах, является дисперсия. В общем случае, дисперсия - это "размывание" или  растягивание светового импульса, происходящее во время передачи его в оптическом волокне. Дисперсия сильно ограничивает скорость работы оптических систем, заметно  снижая граничную полосу пропускания.  
Определены два основных вида дисперсии: модовая и хроматическая.  
Хроматическая дисперсия связана, прежде всего, с зависимостью скорости распространения светового потока от длины волны источника излучения. В отличие от идеального источника света, любой реальный источник излучает свет в некоторой полосе частот.

Составляющие светового импульса, имеющие разные длины волн, достигают  конца оптического волокна с  различными задержками времени, искажая, таким образом, исходный импульс. 
Хроматическая дисперсия выражается в пс/нм·км и физически может быть выражена как разница времени прохождения оптического световода длиной один километр сигналами двух длин волн, причём эти длины волн должны лежать в заданной полосе спектра излучения оптического источника.

Поскольку коэффициент преломления  кварцевого стекла минимален при  длине волны, равной 1300 нм, производная  для этой точки равна нулю и, соответственно, хроматическая дисперсия пренебрежимо мала. Это одна из причин активного использования второго окна прозрачности в телекоммуникационной аппаратуре. Однако, существуют способы смещения дисперсии с помощью легирования кварцевого стекла. Такие световоды называются оптическими волокнами со смещенной дисперсией и могут иметь нулевую дисперсию на длине волны с минимальным затуханием (1550 нм). Это позволяет использовать их в оптических системах, требующих особенно большой полосы пропускания или больших пролетов кабеля с минимальным количеством пунктов переприемов, например для подводных кабельных сетей

Модовая дисперсия связана с  различным временем прохождения  участка волокна световых мод, двигающихся  по разным траекториям.

В пределах числовой апертуры в многомодовое волокно может быть введено несколько  сотен разрешенных мод. Все они  будут распространяться по различным  траекториям, имея различное время  прохождения от источника до приемника. Суммарный импульс, полученный приемником сигнала, оказывается сильно растянутым во временной области. Наличие модовой  дисперсии является недостатком  многомодовых систем передачи. Эффект модовой дисперсии частично нивелируется смешением мод. При прохождении  по оптическому волокну моды низших порядков, имеющие малые углы траектории по отношению к оси оптического  световода преобразуются в моды более высокого порядка и наоборот. Таким образом, скорость прохождения  участка волокна модами несколько  усредняется. Однако надо понимать, что  процесс такого усреднения происходит, прежде всего, за счет неоднородностей  волокна, а они, в свою очередь, заметно  увеличивают общее затухание  сигнала.

Модовая дисперсия может быть полностью  исключена, если структурные параметры  волокна подбирать таким образом, чтобы по световоду распространялась только одна основная мода. Таким свойством  обладают одномодовые оптические волокна. Однако основная мода передается по одномодовому волокну в виде двух ортогонально ориентированных волновых составляющих. Вследствие неидеальности геометрических размеров сердцевины, а также различного рода механических и оптических факторов появляется некоторая асимметрия показателя преломления и, как следствие, разность скоростей распространения двух ортогонально ориентированных мод. Разность времени распространения  ортогонально ориентированных мод  одномодового оптического волокна, выраженная в пикосекундах, определяется через Поляризационную модовую  дисперсию (ПМД). При распространении  обе составляющие основной моды взаимодействуют между собой. Из-за такого обмена энергией ПМД носит статистический характер.

Существует понятие длины взаимодействия мод Lc. Если длина световода меньше Lc, то ПМД увеличивается линейно, при превышении Lc ПМД возрастает пропорционально квадратному корню  длины световода L. Как уже отмечалось выше, основной причиной увеличения ПМД  является асимметрия показателя преломления  сердцевины волокна. Появление такой  асимметрии связано, прежде всего, с  неидеальностью геометрических размеров сердцевины, но на её величину ощутимо  влияют также и такие факторы, как перегибы волокна, повив волокон  в кабеле, поперечные и продольные напряжения волокон. Все эти факторы  закладываются еще на этапе производства кабеля. Величина ПМД волокон кабеля, измеренная на кабельном барабане перед  началом строительства, после прокладки  кабеля изменится незначительно.

Поляризационная модовая и хроматическая  дисперсии существенно ограничивают возможности передачи оптических сигналов по волокну и после затухания  являются наибольшим препятствием для  повышения дальности работы цифровых систем. Хроматическая дисперсия  может быть компенсирована, как с  помощью уменьшения полосы излучаемого  спектра лазерного источника, так  и смещением хроматической дисперсии  кабеля в область более высоких  длин волн. Компенсация ПМД невозможна и может быть понижена только с  увеличением качества оптических волокон  и кабелей. Величина 0,5 пс/vкм является фактически принятым международным  стандартом максимально допустимого  ПМД. В рекомендациях, касающихся линий  дальней передачи, прослеживается тенденция  устанавливать требование, ограничивающее величину ПМД не более 0,1 пс/vкм.

• Полоса пропускания

Полоса пропускания световода  является одним из самых важных параметров оптического волокна при передаче высокоскоростных цифровых сигналов. Она во многом определяется его дисперсионными свойствами.  
Так как световой импульс во время распространения по волокну искажается как по амплитуде, так и по длительности, это заметно сказывается на возможностях передачи коротких импульсов на больших битовых скоростях. На практике световод ведёт себя как фильтр низких частот.

4 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ

Кабели внешней прокладки используются при создании подсистемы внешних  магистралей и связывают между  собой отдельные здания. Основной областью использования кабелей  внутренней прокладки является организация  внутренней магистрали здания. Кабели для шнуров предназначены в основном для изготовления соединительных и  коммутационных шнуров, а также для  выполнения горизонтальной разводки при  реализации проектов класса "fiber to the desk" (волокно до рабочего места) и "fiber to the room" (волокно до комнаты).

Волоконно-оптическая связь находит  всё более широкое применение во всех областях — от компьютеров и бортовых космических, самолётных и корабельных систем, до систем передачи информации на большие расстояния, например, в настоящее время успешно используется волоконно-оптическая линия связи Западная Европа — Япония, большая часть которой проходит по территории России. Кроме того, увеличивается суммарная протяжённость подводных волоконно-оптических линий связи между континентами.

Волокно в каждый дом (англ. Fiber to the premises, FTTP или Fiber to the home, FTTH) — термин, используемый телекоммуникационными провайдерами, для обозначения широкополосных телекоммуникационных систем, базирующихся на проведении волоконного канала и его завершения на территории конечного пользователя путём установки терминального оптического оборудования для предоставления комплекса телекоммуникационных услуг, включающего:

• высокоскоростной доступ в Интернет;
• услуги телефонной связи;
• услуги телевизионного приёма.

Стоимость использования волоконно-оптической технологии уменьшается, что делает данную услугу конкурентоспособной  по сравнению с традиционными  услугами.