Оптоволоконные каналы

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. В 1990 году в США суммарная протяженность оптических волокон составляла около 9000000 км, к 2000 году ожидается утроение этой длины. 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.

Для наиболее популярного диапазона l = 1,3m и dl = 0,17m мы имеем df = ~30ТГц. 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). 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. 3.2.1; 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.

Рис. 3.2.1. Сечение оптоволоконного кабеля

Существует несколько типов оптических волокон, обладающих различными свойствами. Они отличаются друг от друга зависимостью коэффициента преломления от радиуса центрального волокна. На рис. 3.2.2 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.

Рис. 3.2.2. Разновидности оптических волокон, отличающиеся зависимостью коэффициента преломления от радиуса

Буквой В помечен одномодовый вид волокна (понятие мода связано с характером распространения электромагнитных волн). 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 m, а диаметр клэдинга составляет 30-125 m. Число мод, допускаемых волокном, в известной мере определяет его информационную емкость. Модовая дисперсия приводит к расплыванию импульсов и их наезжанию друг на друга. Дисперсия зависит от диаметра центральной части волокна и длины волны света. Число мод n равно для волокна типа А:
,
где d иаметр центральной части (ядра), a исленная апертура волокна, а l лина волны. Волокно с диаметром центральной части волокна 50 m поддерживает 1000 мод. Для волокна типа Б (рис. 3.2.2) значение n в два раза меньше. Численная апертура А равна , где n1 и n2, соответственно, коэффициенты преломления ядра и клэдинга. Величина А определяет ширину входного конуса волокна q (телесный угол захвата входного излучения) q = arcsina.

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. 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 3.2.1.

Таблица 3.2.1. 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 3.2.2 приведены характеристики оптических приемников.

Таблица 3.2.2. 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 8 m. Зависимость поглощения света в волокне от длины волны показана на рис. 3.2.3. Используемые диапазоны отмечены на рисунке зеленым цветом. Все эти диапазоны имеют ширину 25000-30000 ГГц.

Рис. 3.2.3. Зависимость поглощения света в волокне от длины волны

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. 3.2.4.

Рис. 3.2.4. 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 олее 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. 3.2.5.

Рис. 3.2.5. Зависимость полосы пропускания волокна от его длины

Типовые характеристики оптических волокон приведены в таблице 3.2.3. (См. также Дональд Дж. Стерлинг, Волоконная оптика. Техническое руководство. Изд. ОРИ, Москва, 1998. А также Дж. Гауэр, Оптические системы связи. Москва, аудио и связь 1989)

Таблица 3.2.3. 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. 3.2.6, 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.

Рис. 3.2.6. Схема оптического разъема

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. 3.2.7 (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.

Рис. 3.2.7. 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 16-32 раза увеличить широколосность канала из расчета на одно волокно. Схема мультиплесирования показана на рис. 3.2.8. 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.

Рис. 3.2.8. Мультиплексирование с делением по длине волны в оптическом волокне