Оптоволоконные линии связи

Реферат

по дисциплине: «Средства телекоммуникации и связи»

Тема: «Оптоволоконные  линии связи 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание

История 2

Материалы 2

Конструкция 2

Мультимодовые и одномодовые волокна 2

Влияние дисперсии на полосу пропускания 2

Источники шумов 2

Приемные устройства и их характеристики 2

Диапазоны длин волн 2

Характеристики волокон 2

Пассивные разветвители 2 

Опти́ческое волокно́ — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Волоконная  оптика — раздел прикладной науки  и машиностроения, описывающий такие  волокна. Кабели на базе оптических волокон  используются в волоконно-оптической связи, позволяющей передавать информацию на бо́льшие расстояния с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи. В ряде случаев они также используются при создании датчиков.

История

Принцип передачи света, используемый в волоконной оптике, был впервые продемонстрирован  во времена королевы Виктории (1837—1901 гг.), но развитие современной волоконной технологии началось в 1950-х годах. Изобретение  лазеров сделало возможным построение волоконно-оптических линий передачи, превосходящих по своим характеристикам  традиционные проводные средства связи.

Материалы

Стеклянные  оптические волокна делаются из кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного  диапазона могут использоваться другие материалы, такие как флуоро-цирконат, флуоро-алюминат и халькогенидные стекла. Как и другие стекла, эти имеют показатель преломления около 1,5.

В настоящее  время развивается применение пластиковых  оптических волокон. Сердечник в  таком волокне изготовляют из полиметилметакрилата (PMMA), а оболочку из фторированных PMMA (фторполимеров).

Конструкция

Оптическое  волокно, как правило, имеет круглое  сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для  обеспечения полного внутреннего  отражения абсолютный показатель преломления  сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479. Луч света, направленный в  сердцевину, будет распространяться по ней. Возможны и более сложные  конструкции: в качестве сердцевины и оболочки могут применяться  двумерные фотонные кристаллы, вместо ступенчатого изменения показателя преломления часто используются волокна с градиентным профилем показателя преломления, форма сердцевины может отличаться от цилиндрической. Такие конструкции обеспечивают волокнам специальные свойства: удержание поляризации распространяющегося света, снижение потерь, изменение дисперсии волокна и др. 

Оптические  волокна, используемые в телекоммуникациях, как правило, имеют диаметр 125±1 микрон. Диаметр сердцевины может отличаться в зависимости от типа волокна  и национальных стандартов.

Рисунок 1. Профили показателя преломления различных типов оптических волокон 

В 2000 году обшая длина оптоволокон только в США превысила 30 миллионов километров. Оптоволоконные линии связи работают в частотном диапазоне 1013 - 1016Гц, что на 6 порядков больше, чем в случае  радиочастотных каналов (это обеспечивает пропускную способность 50000 Гбит/c). Но земная атмосфера является плохой средой для распространения света. По этой причине только разработка кремниевых волокон с низким коэффициентом поглощения в инфракрасном диапазоне (< 0,2 дБ/км) сделало возможным широкое распространение оптических каналов связи. Укладывается ~1000км оптоволоконного кабеля в день. В настоящее время каналы обычно имеют пропускную способность ~1Гбит/c и это связано с ограниченным быстродействием оборудования, преобразующего оптический сигнал в электрический и обратно. В ближайшие годы следует ожидать увеличения быстродействия таких устройств в 100-1000 раз. Учитывая, что 

Df = (cDl)/l², где с - скорость света, f - частота, а l - длина волны. 

В 2002 году компанией  Zonu разработан фототрансивер (GBIC) на 1,25Гбит/c для передачи и приема данных по одному и тому же волокну при длине волны 1310 нм. Для одномодового волокна расстояние передачи может составлять до 10 км. При длине волны 1550 нм достижимо расстояние передачи в 40 км. Разрабатывается вариант для скоростей передачи 2,5Гбит/c 

Оптоволоконное  соединение гарантирует минимум  шумов и высокую безопасность (практически почти невозможно сделать  отвод). Пластиковые волокна применимы  при длинах соединений не более 100 метров и при ограниченном быстродействии (<50 МГц). В последнее время (2006-7г) разработаны пластиковые волокна, пригодные для передачи со скоростью 40 Гбит/c при длине кабеля 30м и со скоростью 5,35 Гбит/c при длине кабеля 220м (Lightware N4 2007). Вероятность ошибки при передаче по оптическому волокну составляет <10^-10, что во многих случаях делает ненужным контроль целостности сообщений. 

При построении сетей используются многожильные кабели (рис. 2; существуют и другие разновидности кабеля: например, двух- или четырехжильные, а также плоские). В верхней части рисунка [a] изображено отдельное оптоволокно, а в нижней [Б] сечение восьмижильного оптического кабеля. Свет (длина волны l ~ 1350 или 1500 нм) вводится в оптоволокно (диаметром d<100m) с помощью светоизлучающего диода или полупроводникового лазера. Центральное волокно покрывается слоем (клэдинг, 1А), коэффициент преломления которого меньше чем у центрального ядра (стрелками условно показан ход лучей света в волокне). Для обеспечения механической прочности извне волокно покрывается полимерным слоем (2А). Кабель может содержать много волокон, например 8 (1Б). В центре кабеля помещается стальной трос (3Б), который используется при прокладке кабеля. С внешней стороны кабель защищается (от крыс!) стальной оплеткой (2Б) и герметизируется эластичным полимерным покрытием.

Рисунок 2. Сечение  оптоволоконного кабеля

Мультимодовые и одномодовые волокна

Существует  несколько типов оптических волокон, обладающих различными свойствами. Они  отличаются друг от друга зависимостью коэффициента преломления от радиуса  центрального волокна. На рис. 3 показаны три разновидности волокна (А, Б и В). Буквами А и Б помечен мультимодовый вид волокон. Тип Б имеет меньшую дисперсию времени распространения и по этой причине вносит меньшие искажения формы сигнала. Установлено, что, придавая световым импульсам определенную форму (обратный гиперболический косинус), дисперсионные эффекты можно полностью исключить. При этом появляется возможность передавать импульсы на расстояние в тысячи километров без искажения их формы. Такие импульсы называются солитонами. При современных же технологиях необходимо использовать повторители через каждые 30 км (против 5 км для медных проводов). По сравнению с медными проводами оптоволоконные кабели несравненно легче. Так одна тысяча скрученных пар при длине 1 км весит 8 тонн, а два волокна той же длины, обладающие большей пропускной способностью, имеют вес 100кг. Это обстоятельство открывает возможность укладки оптических кабелей вдоль высоковольтных линий связи, подвешивая или обвивая их вокруг проводников.

Рисунок 3. Разновидности оптических волокон, отличающиеся зависимостью коэффициента преломления от радиуса

Буквой В помечен одномодовый вид волокна (понятие мода связано с характером распространения электромагнитных волн). Мода представляет собой одно из возможных решений уравнения Максвелла. В упрощенном виде можно считать, что мода - это одна из возможных траекторий, по которой может распространяться свет в волокне.

Чем больше мод, тем больше дисперсионное искажение  формы сигнала. Одномодовое волокно позволяет получить полосу пропускания в диапазоне 50-100 ГГц-км. Типовое значение модовой дисперсии лежит в пределах от 15 до 30 нсек/км

Эта разновидность  волокна воспринимает меньшую долю света на входе, за то обеспечивает минимальное искажение сигнала  и минимальные потери амплитуды. Следует также иметь в виду, что оборудование для работы с  одномодовым волокном значительно дороже. Центральная часть одномодового волокна имеет диаметр 3-10 mm, а диаметр клэдинга составляет 30-125 mm. Число мод, допускаемых волокном, в известной мере определяет его информационную емкость. Модовая дисперсия приводит к расплыванию импульсов и их наезжанию друг на друга. На поляризационную модовую дисперсию влияют нарушения круговой симметрии, механическое напряжения, сдавливание, изгиб и скручивание волокна. Все эти факторы оказываются существенными при переходе на скорости передачи порядка 10 Гбит/c или выше. Дисперсия зависит от диаметра центральной части волокна и длины волны света. Число мод n равно для волокна типа А:

где d - диаметр центральной части (ядра), a - численная апертура волокна, а l - длина волны. Волокно с диаметром центральной части волокна 50 m поддерживает 1000 мод. Для волокна типа Б (рис. 2) значение n в два раза меньше. Численная апертура А равна

 , где n₁ (~1,48) и n₂ (~1,46), соответственно, коэффициенты преломления ядра и клэдинга. Величина А определяет ширину входного конуса волокна q (телесный угол захвата входного излучения) q= arcsinA (~3,37⁰).

Очевидно, что  чем больше длина волны, тем меньше число мод и меньше искажения  сигнала. Это, в частности, является причиной работы в длинноволновом инфракрасном диапазоне. Но даже для одной и  той же моды различные длины волн распространяются по волокну с разной скоростью. Волокно со сглаженным профилем показателя преломления имеет дисперсию 1 нсек/км и меньше. Это, в частности, связано с тем, что свет в периферийных областях волокна с большей длиной траектории движется быстрее (там ведь меньше коэффициент преломления). Одномодовый режим реализуется тогда, когда длина волны cвета становится сравнимой с диаметром ядра волокна. Длина волны, при которой волокно становится одномодовым, называется пороговой. Волокно с диаметром 50 микрон может поддерживать до 1000 мод.

В отличие  от многомодового волокна, в одномодовом - излучение присутствует не только внутри ядра. По этой причине повышаются требования к оптическим свойствам клэдинга. Для многомодового волокна требования к прозрачности клэдинга весьма умеренны.

Влияние дисперсии на полосу пропускания

Затуханием  обычно называется ослабление сигнала  по мере его движения по волокну. Оно  измеряется в децибелах на километр и варьируется от 300 дБ/км для пластиковых  волокон до 0,21 дБ/км - для одномодовых волокон. Полоса пропускания волокна определяется дисперсией. Приближенно полосу пропускания одномодового волокна можно оценить согласно формуле.

BW = 0,187/(Disp*SW*L),

где Disp - дисперсия на рабочей длине волны в сек на нм и на км;

SW - ширина  спектра источника в нм;M

L - длина  волокна в км; 

Если диаметр  источника света не соответствует  диаметру ядра волокна, то потери света, связанные с геометрическим рассогласованием могут быть охарактеризованы следующей формулой:

Потерь нет, когда волокно имеет диаметр  больше диаметра источника света. Если числовая апертура источника больше апертуры волокна, то потери света составят:

Источники шумов

Помимо дисперсии  быстродействие оптического канала ограничивается шумами. Шумы имеют  две составляющие: дробовой и тепловой шум. Дробовой шум определяется соотношением:

где е - заряд  электрона, i - средний ток, протекающий через приемник, и В - ширина полосы пропускания приемника. Типовое значение дробового шума составляет 25 нА при температуре 25 градусов Цельсия. Тепловой шум характеризуется соотношением:

где k - постоянная Больцмана, Т - температура по шкале Кельвина, В - ширина полосы пропускания приемника, RL - сопротивление нагрузки. При полосе в 10 МГц и температуре 298⁰К эта составляющая шума равна 18 нА. Одной из составляющих теплового шума является темновой ток, который возрастает на 10% при росте температуры на 1 градус.

Чувствительность  приемника задается квантовой эффективностью, которая характеризует отношение  числа первичных электронно-дырочных пар к числу падающих на детектор фотонов. Этот параметр часто выражается в процентах (реже в амперах на люмен). Так, если на каждые 100 фотонов  приходится 60 пар электрон-дырка, то квантовая эффективность равна 60%. Чувствительность фотодетектора R может  быть вычислена на основе квантовой  чувствительности. R= (nel)/hc, где е - заряд электрона, h - постоянная Планка, с - скорость света, l - длина волны, а n - квантовая чувствительность.

Источники излучения инжектируемого в волокно  имеют конечную полосу частот. Так  светоизлучающие диоды излучают свет с шириной полосы 35 нм, а лазеры 2-3 нм (лазеры имеют, кроме того, более  узкую диаграмму направленности, чем диоды). Характеристики светодиодов  и инжекционных лазерных диодов приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Характеристики  светодиодов и инжекционных лазерных диодов

Время нарастания фотодиода ограничивает быстродействие системы. Не малую роль играет и уровень  шумов на входе приемника. При  этом световой импульс должен нести  достаточно энергии (заметно больше уровня шума), чтобы обеспечить низкий уровень ошибок. В таблице 2 приведены характеристики оптических приемников. 

Приемные  устройства и их характеристики

Таблица 2.

Характеристики  оптических приемников

Поглощение  света в волокне происходит по нескольким причинам. Поглощение в  собственно стекле волокна падает с  частотой, в то время как потери из-за рассеяния на дефектах стекла (релеевское рассеяние) с увеличением частоты растет. При сгибании волокна поглощение увеличивается. По этой причине следует избегать малых радиусов изгиба (кроме всего прочего это может привести и к обрыву). В результате потери света в волокне обычно лежит в диапазоне (2-5) дБ/км для длин волн 0,8 - 1,8 m. Зависимость поглощения света в волокне от длины волны показана на рис. 3. Используемые диапазоны отмечены на рисунке зеленым цветом. Все эти диапазоны имеют ширину 25000-30000 ГГц.

Рисунок 4. Зависимость поглощения света в волокне от длины волны

Диапазоны длин волн

ITU стандартизовал  диапазоны длин волн, отображенные на рис. 5

Рисунок 5. Стандартные диапазоны длин волн ITU

В настоящее  время стандартизовано 6 диапазонов длин волн. Смотри таблицу ниже.

Таблица 3

Диапазоны длин волн

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 поглащением, но он привлекателен тем, что как лазеры, так и электроника могут быть изготовлены из одного материала (арсенида галлия). Используемые оптические диапазоны выделены зеленым цветом. Зависимость дисперсии от длины волны показана на рис. 6.

Рисунок 6. 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. 7.

Рисунок 7. Зависимость полосы пропускания волокна от его длины

Типовые характеристики оптических волокон приведены в  таблице 4. (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)

Характеристики  волокон

Таблица 4.

Типовые характеристики оптических волокон

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. 8, и изготовляются из керамики. Потеря света в соединителе составляет 10-20%. Для сравнения сварка волокон приводит к потерям не более 1-2%. Существует также техника механического сращивания волокон, которая характеризуется потерями около 10% (splice). 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.

Рисунок 8. Схема оптического разъема

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

Рисунок 9. 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. 10 (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 приемо-передатчиков (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.

Пассивные разветвители

Рисунок 10. Схема пассивного оптоволоконного хаба

В последнее  время заметного удешевления  оптических каналов удалось достичь  за счет мультиплексирования с делением по длине волны. За счет этой техники  удалось в 16-160 раз увеличить широколосность канала из расчета на одно волокно. Схема мультиплесирования показана на рис. 11. На входе канала сигналы с помощью призмы объединяются в одно общее волокно. На выходе с помощью аналогичной призмы эти сигналы разделяются. Число волокон на входе и выходе может достигать 32 и более (вместо призм в последнее время используются миниатюрные зеркала, где применяется 2D-развертка (или 3D)по длине волны). Разработка технологии получения особо чистого материала волокон позволила раширить полосу пропускания одномодового волокна до 100 нм (для волокон с l =1550нм). Полоса одного канала может лежать в диапазоне от 2 до 0,2 нм. Эта технология в самое ближайшее время расширит скорость передачи данных по одному волокну с 1 до 10 Тбит/с.

Мультиплексирование/демультиплексирование  по длине волны

Рисунок 11. Мультиплексирование с делением по длине волны в оптическом волокне

Рисунок 12. Схема многоканального мультиплексирования с делением по длине волны в оптическом волокне. TE - терминальное оборудование; L - лазер; M/D - оптический мультиплексор-демультиплексор

Рисунок 13. Схема перенаправления оптических информационных потоков (RINGrid-WP3-D3_1-JKU. State of the art in Networks and Grid Infrastructures. Contract no. 031891)

Для осуществления  требуемой маршрутизации часто  бывает нужно в коммутационном узле сменить длину волны потока. Схема  этой опреации показана на рис. 14 (a) OADM - (optical adddrop multiplexer), (b) OXC - (optical cross-connect) - оптическая коммутация , (c) OXC со сменой длины волны.

Рисунок 14. Схема перенаправления оптических информационных потоков со сменой длины волны и без (RINGrid-WP3-D3_1-JKU. State of the art in Networks and Grid Infrastructures. Contract no. 031891)