Волоконно-оптические линии связи

физические процессы, определяющие распространение сигнала

История: опыт Колладона «фонтан света» или

«световая трубка», 1842 год.

История: XX век 1920-е годы: Кларенс Ханселл и Джон Бэйрд

передают изображение с помощью оптической трубки

1952 год: исследования Нардинера Сингха Капани делают возможным создание первого оптического волокна.

1956 год: появляется первый медицинский прибор, созданный с применением оптического волокна

1960 год: Теодор Мейман продемонстрировал первый рубиновый лазер

1966 год: Чарльз Као и Джордж Хокхэм представили оптические нити из стекла, которые имели затухание в 1000 дБ/км

История: XX век 1970 год: компания Corning Glass Works разрабатывает более

качественный оптический кабель. Затухание в таких кабелях составляло около 20 дБ/км, что было вполне приемлемым для передачи сигнала в телекоммуникационных системах.

1970-е годы: появление первой коммерческой волоконно-оптической системы

22 апреля 1977 года в Лонг-Бич, штат Калифорния, компания GTL впервые использовала оптический канал для передачи телефонного трафика на скорости 6 Мбит/с.

1987 год: второе поколение волоконно-оптических систем – работа на скорости до 1,7 Гбит/с при расстоянии между повторителями 50 км.

1988 год: в эксплуатацию введён трансатлантический телефонный оптический кабель — ТАТ-8 . В его основе лежала оптимизированная технология усиления лазера.

XXI век Разработка систем волнового

мультиплексирования позволила в несколько раз увеличить скорость передачи данных по одному волокну и к 2003 году при применении технологии спектрального уплотнения была достигнута скорость передачи 10,92 Тбит/с (273 оптических канала по 40 Гбит/с). В 2009 году лаборатории Белла посредством мультиплексирования 155 каналов по 100 Гбит/с удалось передать сигнал со скоростью 15,5 Тбит/с на расстояние 7000 километров.

Принцип функционирования В основе

функционирования оптических волоконных сетей лежит принцип распространения световых волн по оптическим световодам на большие расстояния. При этом электрические сигналы, несущие информацию, преобразуются в световые импульсы, которые с минимальными искажениями передаются по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС).

Принцип функционирования Оптическое волокно представляет собой

диэлектрический слоистый цилиндрический волновод круглого сечения, как правило находящийся внутри защитной оболочки. Показатель преломления сердцевины волокна (n1) больше показателя преломления оболочки (n2). Волноведущие свойства волокна основаны на явлении полного внутреннего отражения.

Если угол падения света на границу раздела сердцевина-оболочка (φ1) удовлетворяет условию n1sin (φ1) > n2, то свет не может покинуть сердцевину волновода.

Принцип функционирования

Основные параметры: скорость Скорость распространения света в

оптическом волокне зависит от коэффициента преломления сердечника волокна и определяется как: V = c/n

с – скорость света в вакууме, n – коэффициент преломления сердечника.

Типичные значения коэффициента преломления материала сердечника лежат в пределах от 1,45 до 1,55.

Основные параметры: затухание Затухание – это ослабление светового

потока в оптоволокне. Природа затухания может быть различной:1. Затухание света в оптическом волокне,

вызванное поглощением света. 2. Затухание света в оптическом волокне,

вызванное рассеиванием излучения.3. Затухания, связанные с изгибами оптического

волокна.

Основные параметры: затухание

Основные параметры: затухание Коэффициент затухания для заданной

длины волны оптического излучения определяется как отношение вводимой в волокно оптической мощности к мощности принятого из волокна оптического сигнала. Обычно коэффициент затухания измеряется в децибелах (дБ) и зависит как от параметров оптического волокна, так и от длины волны светового потока.

Окна прозрачности оптического волокна

Окна прозрачности оптического волокна Первое окно прозрачности расположено на длинах волн от 820 до 880 нм и

используется в основном для передачи сигналов на короткие расстояния с использованием широкополосных светодиодных источников излучения и коротковолновых лазеров. Основное достоинство такой аппаратуры – ее дешевизна.

Второе окно прозрачности, от 1285 до 1330 нм, активно используется в телекоммуникациях. При относительно высоком затухании оптических сигналов, работающих в этом диапазоне, это окно прозрачности позволяет использовать оптические источники с широкой полосой излучения. Основная причина этого - минимальная величина хроматической дисперсии кварцевого стекла, позволяющая использовать дешевые источники излучения.

Третье окно прозрачности перекрывает диапазон длин волн от 1525 до 1575 нм. Основное достоинство его использования – минимальное затухание оптического сигнала. Однако передача высокоскоростных потоков данных в этом диапазоне сталкивается с обязательным условием компенсации повышенной дисперсии волокна, что ведет к повышению стоимости.

К настоящему времени разработаны четвёртое (1580 нм) и пятое (1400 нм) окна прозрачности, а также оптические волокна, имеющие относительно хорошую прозрачность во всём ближнем инфракрасном диапазоне.

Основные параметры: дисперсия В общем случае, дисперсия - это

"размывание" или растягивание светового импульса, происходящее во время передачи его в оптическом волокне. Дисперсия сильно ограничивает скорость работы оптических систем, заметно снижая граничную полосу пропускания. 

Определены два основных вида дисперсии: модовая и хроматическая. 

Дисперсия: хроматическая дисперсия Хроматическая дисперсия связана, прежде

всего, с зависимостью скорости распространения светового потока от длины волны источника излучения. В отличие от идеального источника света, любой реальный источник излучает свет в некоторой полосе частот.

Составляющие светового импульса, имеющие разные длины волн, достигают конца оптического волокна с различными задержками времени, искажая, таким образом, исходный импульс.

Дисперсия: хроматическая дисперсия

Хроматическая дисперсия выражается в пс/нм·км и физически может быть выражена как разница времени прохождения оптического световода длиной один километр сигналами двух длин волн, причём эти длины волн должны лежать в заданной полосе спектра излучения оптического источника.

Дисперсия: модовая дисперсия Модовая дисперсия связана с различным

временем прохождения участка волокна световых мод, двигающихся по разным траекториям.

В пределах числовой апертуры в многомодовое волокно может быть введено несколько сотен разрешенных мод. Все они будут распространяться по различным траекториям, имея различное время прохождения от источника до приемника. Суммарный импульс, полученный приемником сигнала, оказывается сильно растянутым во временной области. Наличие модовой дисперсии является недостатком многомодовых систем передачи.

Основные параметры: полоса пропускания Полоса пропускания — диапазон частот, в пределах

которого амплитудно-частотная характеристика оптоволокна достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы.

Так как световой импульс во время распространения по волокну искажается как по амплитуде, так и по длительности, это заметно сказывается на возможностях передачи коротких импульсов на больших битовых скоростях.

Ширина полосы пропускания оптического волокна может быть определена как частота, при которой нормированная передаточная функция равна 0,5 от величины при частоте модуляции 0 Гц. Таким образом, ширина полосы пропускания – это частота модуляции, при которой мощность сигнала падает на 50% или на 3 дБ по отношению к мощности немодулированного сигнала.

Типы оптического волокна

1. Многомодовое2. Многомодовое

градуированное 3. Одномодовое

Преимущества оптоволоконных линий связи Малое затухание сигнала (0,15 дБ/км в третьем окне

прозрачности) позволяет передавать информацию на значительно большее расстояние без использования усилителей. Усилители могут ставиться через 40, 80 и 120 километров, в зависимости от класса оконечного оборудования.

Высокая пропускная способность оптического волокна позволяет передавать информацию на высокой скорости, недостижимой для других систем связи.

Высокая надёжность оптической среды: оптические волокна не окисляются, не намокают, не подвержены слабому электромагнитному воздействию.

Высокая информационная безопасность. Высокая защищённость от межволоконных влияний —

уровень экранирования излучения более 100 дБ. Излучение в одном волокне совершенно не влияет на сигнал в соседнем волокне.

Недостатки оптоволоконных линий связи Относительная хрупкость оптического

волокна. При сильном изгибании кабеля возможна поломка волокон или их замутнение из-за возникновения микротрещин.

Сложная технология изготовления как самого волокна, так и компонентов линий связи.

Сложность преобразования сигнала (в интерфейсном оборудовании).

Замутнение волокна с течением времени вследствие старения.