Волоконно-оптический кабель

 

 

Содержание

 

 

Введение

1. Оптическое волокно                                                                                         3

1. Модель волоконно-оптической системы передачи                          3

1. Диапазоны длин волн, используемых для передачи сигнала по   оптоволокну                                                                                                         5

2. Волоконно-оптический световод как среда передачи                              7 

1. Конструкция световода                                                               7

2. Распространение света по волоконно-оптическому кабелю    8                 

2. Волоконно-оптический кабель                                                                                  11

1. Типы оптических волокон                                                                           11

1. Определение диаметра сердцевины                                           11

2. Три типа оптических волокон                                                     12                   

2. Распространение  различных мод по оптоволокну                                   15

3. Преимущества ВОЛС                                                                                   17

4. Недостатки ВОЛС                                                                                         20      

Заключение                                                                                                                      22

Список использованных источников                                                                            23

 

Введение

 

 

В настоящее время все больше возрастают потребности в передаче огромных объемов информации на большие расстояния. Интенсивно использовавшиеся для передачи информации в течении 20 лет технологии, такие, как коаксиальные кабели, спутниковая и микроволновая связь, очень быстро исчерпали свои возможности. В промышленных системах с повышенным уровнем помех, где быстро росла нужда в передачи данных и создании систем контроля, ощущалась растущая потребность в новой среде передачи. Решение проблем ограниченной пропускной способности передачи и повышенного уровня помех в условиях производства было найдено с появлением оптоволоконных систем связи.

Оптическое волокно – простая тонкая стеклянная нить, действующая как светопроводящий канал. Для передачи цифровой информации проходящий сквозь стекло свет можно включать и выключать, а для представления аналоговой информации – менять его амплитуду, частоту или фазу.

Оптоволоконная передача стала одной из самых захватывающих и быстроразвивающихся областей в телекоммуникационной технике. Оптоволоконные системы связи имеют много преимуществ перед более привычными системами связи. Они менее подвержены помехам, не проводят электричество, обеспечивая электроизоляцию, поддерживают чрезвычайно высокие скорости передачи и передают данные на очень большие расстояния.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Оптическое волокно

 

 

1. Модель волоконно-оптической системы передачи

 

 Оптическое волокно — среда передачи, используемая в современных наземных сетях связи. Оно позволяет передавать огромное количество информации.

Рисунок 1 представляет простую модель волоконно-оптической системы передачи (ВОСП). Она аналогична некой радиосистеме или беспроводной системе передач.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 - Упрощенная модель ВОСП

 

  Эта схема показывает, что во многих отношениях ВОСП не так уж существенно отличается от проводной (медно-жильной) системы или радиосистемы передачи.

       Электрооптический преобразователь (ЭОП) преобразует цифровой электрический сигнал в оптический NRZ- или RZ-сигнал или сигнал, использующий манчестерский код. Он также устанавливает требуемый уровень постоянного смещения входных импульсов.

       Передатчиком является волоконно-оптический источник светового излучения. Существуют два различных источника света, широко используемых сегодня на практике: светоизлучающий диод — СИД (LED) и лазерный диод — ЛД (LD). Оба источника относятся к устройствам со сравнительно низким уровнем выхода, лежащим в диапазоне от —10 дБм до +6 дБм (от -10 мВт до +4 мВт ).

      Этот источник соединяется с детектором светового сигнала на удаленном конце через одно из оптических волокон волоконно – оптического  кабеля (другие волокна используются для других целей, в том числе и для резервирования).

      Соединительные оптические разъемы (или коннекторы) используются на концах кабелей (с обоих сторон) для соединения кабеля с указанными источником и детектором. Строительные длины соединяются друг с другом путем сращивания. В связи с этим, обычно, рассматриваются два наиболее важных параметра: вносимые потери и возвратные потери. Вносимые потери, вызванные наличием сростка, должны быть меньше 0,1 дБ, тогда как аналогичные потери, вызванные наличием оптического разъема, должны быть меньше 1 дБ. Возвратные потери (или потери на отражение), определяющие уровень согласования импедансов между сростком и кабелем, должны быть не менее 30 дБ.

      Приемник, или детектор светового излучения на удаленном конце волоконно-оптической линии, является, по сути, счетчиком фотонов. Большинство ВОСП в настоящее время используют два типа приемников: PIN-duod и лавинный фотодиод (ЛФД). PIN-диод, в целом, проще и менее чувствителен к изменению окружающей среды, так как не имеет внутреннего усиления. ЛФД — более сложен и более чувствителен к изменению окружающей среды, но может обеспечить 10-20 дБ дополнительного усиления. Проектировщик ВОСП выбирает порог приемника, руководствуясь заданным уровнем коэффициента ошибок по битам — BER. (Bit Error Ratio (коэффициент ошибок))

      Порог приемника — уровень входной мощности, выраженный отрицательной величиной дБм и зависящий от ряда факторов: типа приемника, в какой-то мере, его конструкции, скорости передачи и, конечно, уровня ВЕR. При проектировании системы нужно стараться, чтобы уровень сигнала на входе приемника не был избыточным. На коротких секциях часто требуется использовать оптический аттенюатор последовательно с приемником, чтобы сместить уровень входного сигнала в желаемый диапазон.

 

1. Диапазоны длин волн, используемые для передачи сигнала по оптоволокну

 

 

Радио, проводные и кабельные системы передачи используют понятие частоты для описания рабочей области, занимаемой системой в радиочастотном спектре. Частота при этом измеряется в герцах. Говорят, что ВОСП - плод исследования и разработки физиков, поэтому для описания положения их рабочей области в радиочастотном спектре используется понятие длины волны.

Будем полагать, что свет - расширение радиочастотного спектра на его высокочастотном конце. Эта концепция непрерывного спектра иллюстрируется на рисунке 2. Для длины волны обычно используется обозначение l. Так как это длина, то ее основной единицей измерения является метр. Мы можем связать частоту в герцах и длину волны в метрах (м), используя традиционную формулу

                                             

м/с,                                           (1.1)

где  F- частота,

l- длина волны.

Итак, F в герцах, а l в метрах.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 - Частотный спектр выше 300 МГц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 – Затухание оптического волокна в зависимости от длины волны

        

На рисунке 3 показаны три основных окна прозрачности, которые являются рабочими диапазонами длин волн для ВОСП. Это:

- 820-900 нм;

- 1280-1350 нм;

- 1528-1561 нм.

Причем последнее окно может быть расширено от 1561нм до 1620 нм (Эту область обычно называют четвертым окном прозрачности). Если оценить частоты, соответствующие последнему окну и его расширению, то, используя уравнение (1.1), можно получить для 1528 и 1620 нм соответственно F1 и F2:

 =196×1012 Гц,

 =185×1012 Гц

Вычитая F2 из F1 получим, что полезная рабочая полоса этих окон равна 11×1012 Гц, или 11000 ГГц. Эта ширина полосы в 110 раз больше той, что может быть использована в радиочастотной части спектра.

 

 

 

2. Волоконно-оптический световод как среда передачи

 

 

1. Конструкция световода

 

 

Жила оптического волокна (ОВ) может быть названа оптическим световодом. Можно предположить, что этот термин был заимствован у радистов, использующих аналогичное понятие — волновод. На рисунке 4 показана жила волокна и составляющие ее части. Конечно, ее изображение существенно увеличено и схематично, чтобы заострить внимание на ряде моментов. На нем видно, что жила ОВ состоит из внутренней сердцевины и окружающей ее оболочки. Любые дополнительные покрытия (оболочки) являются защитными. На рисунке 4 показано внешнее пластиковое покрытие.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 - Основная конструкция оптического волокна

 

Обычно, показатель преломления сердцевины обозначают как n1, тогда как показатель преломления оболочки обозначают как n2. Когда жила ОВ спроектирована так, что n1> n2, то структура: сердцевина-оболочка, ведет себя как волновод. Кварцевое стекло (SiO2) является основным материалом, как для сердцевины, так и оболочки. Для подгонки нужных значений показателя преломления используются легирующие примеси, такие как бор или германий.

Из физики известно, что показатель преломления среды равен скорости света в вакууме, деленной на скорость света в данной среде. По определению показатель преломления вакуума равен 1.

 

 

2. Распространение света по волоконно-оптическому кабелю

 

 

Когда свет переходит из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления, преломленный луч отклоняется от нормального. Это, например, происходит тогда, когда луч из воды выходит в воздух, отклоняясь от нормального луча на границе раздела между двумя средами. Чем больше становится угол падения на границу раздела, тем больше отклоняется преломленный луч от нормального луча, до тех пор пока преломленный луч не достигает угла в 90°, по отношению к нормальному, и начинает скользить по поверхности раздела. Рисунок 5 демонстрирует картину при различных углах падения. Рисунок 5а показывает такой угол падения, при котором преломленный луч полностью уходит в свободное пространство. Рисунок 5б показывает такой угол падения, который называется критическим, когда преломленный луч начинает скользить по границе раздела. Рисунок 5в демонстрирует случай полного внутреннего отражения (ПВО). Это происходит тогда, когда угол падения превышает критический. Стеклянное ОВ, используемое для целей передачи света, требует использования полного внутреннего отражения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5 – Путь лучей для нескольких углов падения, n1 > n2, где n1 и n2 — показатели преломления двух различных сред

 

Другое свойство ОВ, характерное для определенной длины волны, это нормализованная частота V:

,    (1.2)

где  V – нормализованная частота,

а — радиус сердцевины,

l- длина волны,

n1 – показатель преломления одной среды

n2 - показатель преломления другой среды для ОВ без оболочки = 1.

Член в уравнении (1.2) называется числовой апертурой (NA). В

сущности, числовая апертура используется для того, чтобы описать светосо-бираюшую способность волокна. Фактически, количество оптической мощности, воспринимаемой ОВ изменяется пропорционально квадрату NA. Интересно заметить, что числовая апертура ОВ не зависит от его физических размеров.

Как показано на рисунке 1, существует три основных элемента ВОСП: источник, волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) и оптический детектор.

Что касается ВОЛС, то существуют два основных параметра, которые ограничивают ее длину без использования повторителей, или длину секции между двумя повторителями. Этими наиболее важными параметрами являются потери, обычно выражаемые в дБ/км, и дисперсия, которая часто выражается в виде эквивалентного произведения ширины полосы на длину (линии) - МГц×км. Длина линии может быть ограничена мощностью (бюджетом мощности), т.е. может ограничиваться потерями, или может ограничиваться дисперсией (накопленной дисперсией).

Дисперсия, проявляющая себя в виде межсимвольной интерференции на удаленном конце, вызвана двумя факторами. Один из них — материальная дисперсия, а другой — модовая дисперсия. Материальная дисперсия вызвана тем, что показатель преломления материала изменяется с частотой. Модовая дисперсия возникает, если оптоволоконный волновод поддерживает несколько мод. В этом случае различные моды имеют различные фазовые и групповые скорости и их максимумы энергии достигают детектор в различные моменты времени. Учитывая, что в большинстве оптических источников возбуждаются много мод, можно предположить, что они, распространяясь по оптоволоконному волноводу с разной задержкой, приводят к искажениям (дисперсии). Уровень искажений зависит от того, какое количество энергии разных мод доходит в определенный момент времени до входа детектора.

Один из путей уменьшения числа мод, распространяющихся в волокне, лежит в изменении конструкции или размеров волновода. Если вернуться снова к уравнению (1.5), то видно, что число мод, распространяющихся в волокне, можно ограничить путем уменьшения радиуса а при сохранении отношения n2/n1 малым настолько, насколько практически возможно, например, 1,01 или меньше.

Мы можем оценить число мод N, которые волокно поддерживает, используя формулу (1.3). Если V = 2,405, то распространяется только одна мода. Если V больше, чем 2,405, то может распространяться больше, чем одна мода.

N=V 2/2,                                                  (1.3)

где  N - число мод, V- нормализованная частота.

 

2. Волоконно-оптический кабель

 

     

1. Типы оптических волокон

 

 

Существуют три основных типа оптического волокна (ОВ), отличающихся числом мод и своими физическими свойствами (cчитают, что этих типов два: одномодовое и многомодовое):

- одномодовое волокно;

- многомодовое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления;

- многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломления.

 

1. Определение диаметра сердцевины

 

На рисунке 6 графически представлены сечения многомодового (слева) и одномодового (справа) волокон. Важным в этих рисунках являются сравнительные размеры сердечников многомодового и одномодового волокон.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Рисунок 6 - Поперечное сечение многомодового и одномодового волокон

 

Надо обратите внимание на то, что внешний диаметр обоих типов волокон одинаков и составляет номинально 125 мкм. Однако существует огромная разница в диаметрах сердцевины: 50 мкм для многомодового волокна и 8,6-9,5 мкм для одномодового волокна. На практике существуют и другие значения диаметров многомодового волокна, наиболее используемым из них является 62,5 мкм.

 

 

2. Три типа оптических волокон

 

 

На рисунке 7 показана конструкция и профили показателей преломления: ступенчатый и градиентный для многомодового волокна. Ступенчатый профиль показателя преломления характеризуется резким (в виде ступеньки) изменением показателя преломления (от п1 к п2) на границе раздела, тогда как градиентный - плавным изменением.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7 - Конструкция и профили показателей преломления:

ступентый (а) и градиентный (б) для многомодового волокна

 

Многомодовое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления является более экономичным по сравнению с градиентным волокном. Для

многомодового волокна со ступенчатым профилем показателя преломления коэффициент широкополосности, характеристика, рассмотренная выше, имеет порядок 10-100 МГц×км, при условии, что повторители расположены на расстоянии 10 км, можно передать полосу частот шириной от 1-10 Мгц.

Градиентный профиль показателя преломления делает многомодовое волокно существенно дороже, чем при ступенчатом профиле, однако дает возможность улучшить коэффициент широкополосности. Так, если в качестве источника света используется лазерный диод, то можно довести коэффициент широкополосности до 400-1000 МГц×км. Если же в качестве источника используется СИД, имеющий существенно более широкий спектр излучения, то с тем же градиентным волокном можно рассчитывать на коэффициент широкополосности порядка 300 МГц×км или выше. Принципиальным ограничивающим фактором в этом случае является материальная дисперсия.

На рисунке 8 показаны профили показателя преломления и характер распространения мод для указанных трех типов ОВ на основе кварцевого стекла.

Одномодовое волокно проектируется так, что в нем может распространяться только одна мода. Благодаря этому V < 2,405. В таком волокне нет модовой дисперсии просто потому, что распространяется только одна мода. Типично, мы можем встретить волокно с показателями преломления п1 = 1,48 и п2 = 1,46. Если бы длина волны оптического источника света была 820 нм, то для осуществления одномодовых режимов работы потребовалось бы волокно 2,6 мкм, что, конечно мало для современных систем. Рисунок 8в иллюстрирует профиль показателя преломления одномодового волокна. Этот тип волокна демонстрирует значительно лучшие значения коэффициента широкополосности среди описанных трех типов волокон.

Числовая апертура (NA) является мерой светособирающей способности сердцевины волокна.  Из рисунка 6 видно, что значительно больший диаметр многомодового волокна приводит к большим значениям числовой апертуры NA (порядка 0,22), тогда как существенно меньший диаметр одномодового волокна ухудшает сбор света от источника. В этом случае числовая апертура составляет лишь 0,11.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 8 - Профили показателей преломления и моды

       

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Распространение различных мод по оптоволокну

 

 

Многомодовое волокно, с его относительно большой сердцевиной, допускает распространение по волокну нескольких или многих мод. Некоторые из этих мод могут распространяться в волокне на небольшие расстояния и потом исчезать; другие — могут распространяться на всю длину волокна. Характер многомодового распространения показан на рисунке 9. Основная проблема возникает тогда, когда эти моды достигают удаленного приемника. Рассмотрим импульс, прошедший по волокну некоторое расстояние. Этот импульс несет в себе световую энергию нескольких мод. Мода самого низкого порядка достигнет приемника быстрее всего. Остальные моды за счет задержки вносят свой вклад позднее. Прибывший импульс, составленный из компонентов, распространяющихся дольше, приводит к уширению прибывшего вначале импульса, составленного из моды самого низкого порядка, как показано на рисунке 9.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9 - Идеализированный рисунок с импульсом источника света в

приемном конусе отрезка многомодового световода, показывающий

распространение трех световых мод

 

Мода самого низкого порядка имеет на рисунке всего два отражения, тогда как мода самого высокого порядка имеет семь отражений на том же самом отрезке световода. В результате энергия моды самого высокого порядка запаздывает по сравнению с энергией моды самого низкого порядка.

Суть проблемы в том, что каждый из этих импульсов, или его отсутствие, представляет двоичные 1 и 0. Пусть наличие импульса соответствует 1, а его отсутствие — 0. И пусть мы передаем последовательность вида 10. Расширенный за счет дисперсии импульс двоичной 1 (как показано на рисунке 9 внизу справа) займет и соседнюю битовую позицию, которая исходно должна быть двоичным 0. Возникает типичная битовая ошибка. Это упрощенное описание показывает вредное влияние дисперсии, взывающей межсимвольную интерференцию.

В этих условиях, при возрастании скорости передачи, когда ширина импульса становится все меньше, а влияние дисперсии все более губительным, уровень ошибок ВЕК на линии передачи достигает таких значений, что становится совершенно неприемлемым.

Эта ситуация может быть сглажена или разрешена путем:

- уменьшения длины передающей линии (сглаживание проблемы);

- уменьшения скорости передачи (сглаживание или устранение проблемы);

- использования одномодового волокна (устранение модовой дисперсии).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Преимущества ВОЛС

 

 

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" во 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. Рассмотрение волоконно-оптических сенсорных систем выходит за рамки материала данной книги.

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- и 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 отличии 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. Такой кабель широко используется как в России, так и за рубежом.

Несмотря на многочисленные преимущества перед другими способами передачи информации, волоконно-оптические системы имеют также и недостатки, главным образом из-за дороговизны прецизионного монтажного оборудования и надежности лазерных источников излучения. Многие из недостатков вероятнее всего будут нивелированы с приходом новых конкурентоспособных технологий в волоконно-оптические сети.