Волоконно-оптический кабель

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.