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).