Рейтинг@Mail.ru

NetCloud

Простыми словами о сетевых технологиях

Характеристики оптического волокна

Самый древний и вместе с тем и самый распространённый способ передачи сигналов, почти до первой половины XIX века, был световой, или посредством огней и других световых сигналов, или же помощью особых приборов с подвижными частями, различные взаимные положения которых и должны составлять условные знаки. Была высказана мысль (Бушредер, в 1725 г.), что вавилонская башня могла служить для оптического телеграфирования. У китайцев для той же цели зажигаются яркие огни на башнях, расположенных вдоль всей Великой Китайской стены. Такой способ передачи известий, посредством огней, применялся и позднее у всех диких народов, в особенности в Африке.

Оптические кабели используют точно такой же принцип — передача информации на дальние расстояния с помощью света. С той лишь разницей, что при использовании современных систем передач скорость может достигать до 10 Гбит/с.

Оптические кабели в отличие от электрических не требуют дефицитных материалов и изготавливаются, как правило, из стекла и полимеров. Помимо экономии меди достоинствами оптических кабелей являются:

  • Высокая пропускная способность
  • Малое ослабление сигнала и независимость его от частоты
  • Высокая защищенность от внешних электромагнитных помех
  • Малые габаритные размеры и масса
  • Надежная техника безопасности (отсутствие искрения и короткого замыкания)

В качестве источника излучения для ВОЛС используется лазер. Лазер — оптический квантовый генератор. Лазер обладает когерентным излучением, то есть согласованным во времени и пространстве движением фотонов, и имеет узконаправленный луч. В отличие от обыкновенного света, основанного на тепловой природе возникновения и излучающего очень широкий непрерывный спектр частот, лазерный луч имеет электромагнитную основу и представляет собой монохроматический (одноволновый) луч.

lazernoe-izluchenie-zelenogo-cveta

Передача света происходит в тонком световоде (тоньше человеческого волоса). Световод представляет из себя совокупность сердцевины и оболочки, вдоль границы которой распространяется световой сигнал. И сердцевина, и оболочка состоят из кварца с разным показателем преломления. Поверх сердцевины накладывается покрытие (буфер), которое служит в целях защиты и обеспечивает гибкость.

odnomod1

Волны по световоду в заданном направлении передаются за счет отражений их от границы раздела сердцевины и оболочки, имеющей разные показатели преломления. Граница раздела сред  характеризуется соотношением между длиной волны и поперечным диаметров сердцевины. Если длина волны меньше диаметра сердцевины передача сигнала будет осуществляться за счет многократного отражения от раздела сред с различными характеристика. Много непонятных слов? Сейчас поясним все по порядку.

Для того, чтобы понимать как луч света свободно проходит через световод и никуда не излучается, необходимо знать закон преломления из курса физики. При переходе света из одной среды в другую направление света может меняться.

fx-y1i7eske

Направление света меняется за счет того, что разные среды имеют разную плотность. Плотность среды влияет на скорость распространения света. Чем меньше плотность, тем больше скорость распространения света. В общем случае, данная зависимость выражается простой формулой.

Latex formula

где c — скорость света в вакууме, n — показатель преломления.

Таким образом, показатель преломления показывает во сколько раз скорость распространения света в данной среде меньше чем в вакууме.

Итак, мы выяснили, что в направления света в разных средах меняется. Но каким образом? Ответ на этот вопрос дает закон преломления (или закон Снеллиуса).

Падающий и преломленный лучи и перпендикуляр, проведенный к границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред:

11kl_prelom03-2

 

Световод волокна состоит из сердцевины и оболочки. Луч света распространяется по сердцевине, отражаясь от оболочки. Нам необходимо знать условие, при котором падающий луч будет полностью отражаться и, соответственно, не будет преломления. Отражения не будет, когда угол β равен 90 градусов. Синус 90 градусов равен единице.

Latex formula

Получим условие полного внутреннего отражения

Latex formula

Область определения арксинуса от -1 до 1. Так как изначально угол

Latex formula

То и область определения арксинуса будет от 0 до 1, иными словами

Latex formula

Очевидно, что данное условие будет выполняться только при

Latex formula

Иными словами, условие полного внутреннего отражения будет выполняться тогда, когда луч падает из более плотной среды n1 в среду менее плотную n2.

Плотность сердцевины должна быть больше плотности оболочки волокна. Сердцевина изготавливается из чистого материала (стекла или пластика) и имеет диаметр 9 мкм (для одномодового волокна), 50 или 62,5 мкм (для многомодового волокна). Оболочка имеет диаметр 125 мкм и состоит из материала с легирующими добавками, изменяющими показатель преломления. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479. Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, многократно отражаясь от оболочки.

Режим полного внутреннего отражения предопределяет условие подачи света на входной торец световода. Как видно из рисунка ниже световод пропускает лишь свет, заключенный в пределах телесного угла θmax, величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения. Этот телесный угол характеризуется апертурой. Апертура — это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения. i

 

Структурная схема волоконно-оптической линии связиrid6

Сигнал от абонента поступает на ИКМ — импульсно-кодовый модулятор. ИКМ выполняет преобразование сигнала в цифровую форму. ПК — преобразователь кода, изменяет код от абонента на тот, который используется в оптических линиях. ЭОП — электронно-оптический преобразователь. Представляет из себя лазер, либо светодиод. Преобразует электрический сигнал в оптический. СУ — согласующее устройство, предназначено для согласования параметров линии передачи. После СУ оптический сигнал направляется в световод. На его пути стоит Р — регенератор, который выполняет восстановление сигнала по форме, мощности, амплитуде и фазе. На приме находится ЭОП — электро-оптический преобразователь. По сути это фотодиод. Он выполняет функцию преобразования оптического сигнала в электрический.

Типы оптических волокон

С точки зрения волновой теории энергия в оптическом волокне сосредотачивается в определенных областях сердцевины, которые получили название мода. Одной их характеристик оптического волокна является количество мод — участков распространения энергии.

Все оптические волокна делятся на две основные группы:





  • Многомодовые волокна, в которых возникает несколько областей распространения энергии — мод. Каждая мода распространяется по своей траектории и в итоге они поступают на выход в разные моменты времени. Это приводит к искажению сигнала.
  • Одномодовые волокна, в которых энергия распространяется по одному направлению.

Многомодовые волокна также отличаются профилем показатели преломления. Профиль показателя преломления представляет зависимость показателя преломления от центра оси волокна. По показателю преломления многомодовые волокна делятся на ступенчатые и градиентные.

7ab69b01c2b356f582f8a97f7e0d9988

У градиентного волокна показатель преломления зависит от радиуса. Для многомодового волокна градиентный показатель преломления имеет лучшие характеристики, чем ступенчатое. Это связано с тем, что межмодовая дисперсия значительно меньше, что приводит к большей пропускной способности. Одномодовое волокно имеет значительно меньший диаметр сердцевины по сравнению с многомодовым и, как следствие, из-за отсутствия межмодовой дисперсии, более высокую пропускную способность.

В ВОЛС наиболее широко используются следующие стандарты оптических волокон:

  • Многомодовое градиентное волокно 50/125 (G.651)
  • Многомодовое градиентное волокно 62.5/125 (G.651)
  • Одномодовое ступенчатое волокно с несмещенной дисперсией 8-10/125 (G.652)
  • Одномодовое волокно со смещенной дисперсией DSF 8-10/125 (G.653)

 

Источники и приемники излучения

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ) предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Требования к источникам излучения, применяемым в ВОЛС:

  • Излучение должно вестись на длине волны, соответствующей одному из окон прозрачности: 850, 1300, 1550 нм
  • Необходимая частота модуляции для обеспечения требуемой длины волны
  • Необходимая мощность для передачи на дальние расстояния

В настоящее время используется два основных источника излучения: светодиод (LED) и полупроводниковый лазерный диод (LD). Светоизлучающие диоды имеют широкий спектр излучения, в то время как лазерные диоды имеют значительно более узкий спектр.

laser1

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Приемные оптоэлектронные модули (ПРОМ) выполняют обратное преобразование: оптический сигнал в электрический. Требования к приемникам излучения в ВОЛС высокая чувствительность и высокое быстродействие. В качестве ПРОМ используются p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды.

220px-photodiode-closeup

 

Затухание в оптическом волокне

Оптическое волокно характеризуется двумя важными параметрами: затухание и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия, тем больше может быть расстояние между регенерационными участками.

Затухание — уменьшение мощности оптического сигнала. Измеряется в децибелах.

Latex formula

P1 — мощность на входе, Вт. P2 — мощность на выходе, Вт.

Затухание в оптическом волокне может зависит от разных причин. Рассмотрим классификацию потерь.

htmlconvd-jpl7ks_html_m509ceea6

Кабельные потери обусловлены скруткой, деформацией и изгибами волокон, возникающими при наложении покрытий и защитных оболочек. Изгибы приводят к нарушению условия полного внутреннего отражения.

Собственные потери обусловлены неидеальными свойствами оптического волокна. Затухание рассеивания возникает за счет неоднородностей сердцевины волокна. Неоднородности проявляется в том, что волокно имеет участки с немного отличающимися показателями преломления. Свет попадания на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях. Затухание поглощения состоит как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощения), так и из потерь, связанных с поглощением света в примесях. Причиной поглощения в ультрафиолетовом диапазоне является резонанс электронных оболочек атомов кремния. Причиной поглощения в инфракрасном диапазоне является резонанс атомов кремния как системы. Поглощения света на примесях обуславливается резонансном гидрооксидных групп OH, в результате чего на длинах волн 1000 нм, 1998 нм возникает резкое увеличение затухание, которое проявляется в увеличении джоулева тепла.

Существует три окна прозрачности оптического волокна: 850 нм, 1310 нм, 1550 нм.

okna_prozrachnosti

Неоднородность затухания света в оптическом волокне в разных диапазонах длин волн обусловлена неидеальностью среды, наличием примесей, резонирующих на разных частотах.

Затухание в разных окнах прозрачности неодинаково: наименьшая его величина — 0,22 дБ/км наблюдается на длине волны 1550 нм, поэтому третье окно прозрачности используется для организации связи на большие расстояния (DWDM, SDH). Во втором окне прозрачности (1310 нм) затухание выше— 0,36 дБ/км , однако для этой длины волны характерна нулевая дисперсия, поэтому второе окно используется на городских и зоновых сетях небольшой протяжённости (PON). Первое окно прозрачности (850 нм) используется в офисных оптических сетях; использование этого окна прозрачности незначительно. Затухание на 850 нм составляет 0,5 дБ/км.

 

Дисперсия в оптическом волокне

Дисперсия — рассеивание во времени модовых и частотных составляющих сигнала. Дисперсия приводит к уширению импульсов. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться так, что становится невозможным их выделение на приеме.

skachannye-fayly

Дисперсия имеет размерность времени и определяется как квадратичная разность длительностей импульсов на входе и выходе кабеля длины L.

Latex formula

Дисперсия в общем случае характеризуется тремя основными факторами:

  • Различием скоростей распространения направляемых мод (межмодовая дисперсия)
  • Направляющими свойствами световодной структуры (волноводной дисперсией)
  • Свойствами материала оптического волокна (материальной дисперсией)

image28

Межмодовая дисперсия относится только к многомодовому волокну. Обусловлено разными путями распространения мод.

Хроматическая дисперсия связана с длиной волны. Хроматическая дисперсия обуславливается наличием в спектре передаваемого сигнала множества спектральных составляющих, каждая из которых соответствует определенной длине волны. Грубо говоря, каждая волна распространяется со своей скоростью, от чего возникает дисперсия.

o26