Методика та етапи проектування мережі на основі оптичного волокна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Вступ

1. Теоретичні основи організації оптоволоконної лінії зв'язку

1.1 Поняття оптоволокна, типи оптоволокна

1.2 Волоконнаоптика, оптичний світловод, плив коефіцієнту поширення сигналу в мережі

1.3 Переваги Волоконно-оптичних ліній зв'язку

Вступ

волоконнаоптика світловод лінія зв'язок

Історію систем передачі даних на великі відстані слід починати з давнини, коли люди використовували димові сигнали. З того часу ці системи кардинально покращали, з'явилися спочатку телеграф, потім - коаксіальний кабель. У своєму розвитку ці системи рано чи пізно упиралися в фундаментальні обмеження: для електричних систем це явище загасання сигналу на певній відстані. Тому продовжувалися пошуки принципово нових систем, і в другій половині XX століття рішення було знайдено - виявилося, що передача сигналу за допомогою світла набагато ефективніша.

Оптичний кабель може передавати дані з дуже високою швидкістю. Пропускна здатність такої оптичної системи буде вимірюватися в Тбіт / с.

Одна з переваг оптоволокна полягає в тому, що пропускну здатність мережі на базі оптоволокна можна збільшити простою заміною кінцевого обладнання на обох кінцях волоконно-оптичної лінії зв'язку.

Актуальність даної теми зумовлена тим, що на даному етапі розвитку оптоволоконних мереж технічний прогрес значно збільшив діапазон застосування і швидкість поширення оптоволокон, а також зменшив вартість оптоволоконних систем зв'язку.

Об'єкт: Оптоволокон на комп'ютерна мережа.

Проблема: Проблемиз'єднанняволоконних світловодівнабули особливої??актуальності прирозробцітехнологіїїхпромислового застосування.

Мета: Розкрити сутність, поняття та принципи функціонування мережі на основі оптичного волокна.

Тема: Методика та етапи проектування мережі на основі оптичного волокна.

Завдання:

1. Аналіз літературних джерел з теми досліджень.

2. Визначити типи оптоволокна які використовуються у сучасних локальних мережах.

3. З'ясувати переваги оптоволоконних ліній св'язку.

4. Зробити аналіз оптоволоконної мережі підприємства.

5. Розробити рекомендації по покращенню мережі підприємства.

1. Теоретичні основи організації оптоволоконної лінії зв'язку

1.1 Поняття оптоволокна, типи оптоволокна

Оптоволокном або оптичне волокно - це технічний виріб, що складається з оптичного світловоду і захисних покриттів та маркуючої кольорової оболонки.

Оптичний світловод - це циліндричний діелектричний хвилевід, що передає світло від одного до другого кінця усієї своєї довжини завдяки фізичному явищу повного внутрішнього відбиття. Світловод складається із серцевинного та оболонкового шару, які виготовленні із матеріалів, що забезпечують утримування світла всередині кабелю. Для забезпечення функціонування даної системи діелектриків, необхідно мати коефіцієнт заломлення серцевини більший, ніж оболонки. А також, границя двох середовищ може бути обривчастою, як у ступінчастих волокон, чи згладженою, як у градієнтних волокон.

Структура оптоволоконного кабелю дуже проста й схожа на структуру коаксіального електричного кабелю. Проте, замість мідної серцевини тут використовується тонке скловолокно, а замість внутрішньої ізоляції, скляна або пластикова оболонка, що не дозволяє світлу виходити за межі збірки. У цьому випадку мова йде про режим так званого повного внутрішнього відбиття світла від границі двох речовин із різними коефіцієнтами заломлення (у скляної оболонки коефіцієнт заломлення значно нижче, ніж у центрального волокна (Рис 1. 1.)).

Одномодове волокно:

Оптичні світловоди із діаметром серцевини розміром приблизно одної десятої довжини несучої світлової хвилі, не можуть бути змодельованими використовуючи теорію геометричної оптики.

1. Серцевина 2. Оболонка 3. Буфер 4. Обшивка

Рис 1. 1. Структура типового одномодового волокна.

Натомість, вся структура має бути розглянута із точки зору класичної електродинаміки, застосовуючи формули Максвела, що приведені до розвязку рівняння розповсюдження електромагнітних коливань. Також, такі фізичні явища як спекли, що виникають за рахунок пропагації когерентного випромінення у багатомодових волокнах, теж мають бути обгрунтовані як наслідок теорії Максвела. Назразок оптичного хвилевода, світловод підтримує один чи де-кілька локалізованих поперечних режимів, у границях яких світло просувається вздовж. Волокно, що працює тільки в одному режимі, називається одномодовим, чи мономодовим. Поведінка оптичних світловодів із значним розміром серцевини теж може бути змодельована за допомогою хвильових рівнянь, що у результаті демонструє їх здатність до пропускання світла у кількох режимах, або модах. Звідси походить і назва типів оптоволокна. Коли серецевина волоска достатньо велика для забезпеченняпропагації світлових променів у кількох модах, то математичні розрахунки згідно з теоріями Максвела і геометричної оптики приблизно збігаються (Рис 1. 2.).

Рис 1. 2. Розповюдження світлових променів через одномодові оптичні світловоди

Аналіз хвилевода показує, що промениста енергія у волокні не повністю зосередженна у межах серцевини. Натомість, найхарактернішим для одномодових світловодів, значна її порція подорожує у привязаній моді у середовищі оболонки як еванесцентна хвиля.

Найбільш розповсюджений тип одномодового волокна має діаметр серцевини 8-10 мікрометрів та спроектований для використання світла близького до інфрачервоного діапазону спектру. Структура моди залежить від довжини хвилі світла, яке задіяне у процесі роботи, таким чином світловод фактично підтримує незначну кількість додаткових мод у видимій частині спектру світла. Багатомодове оптоволокно, для порівняння, виготовлено із діаметром центральної жили поперечного розміру щонайменше ніж 50 мікрометрів, та що найбільше сотні мікрометрів. Нормалізована частота V для волоска має бути не більше ніж нульовий член степеневого ряду функції БесселяJ0 (приблизно 2. 405)

Багатомодове волокно:

Оптичне волокно із великим діаметром серцевини (більше 10 мікрон) може бути розраховане за допомогою методів геометричної оптики. Таке волокно називається багатомодовим. Сходинкове багатомодовое волокно проводить промені світла вздовж серецевини завдяки ефекту повноговнутрішнього віддзеркалення. Промені, що падають на межу розділу компонентів волоска під стрімким кутом, більшим ніж кут повного внутрішнього відбиття, зазнають цілковитого дзеркального відображення. Промені що стикаються із границею під малим кутом заломлюються у напрямку від серцевини до оболонки, а далі поглинаються і не передають інформацію. Значна цифрова апертура робить можливим світлу пропагуватися впродовж волокна завдяки променям, що розташовані близько до осі, а також під різноманітними кутами, дозволяючи ефективне компонування пучка випромінення у світловоді. Проте попри все, ця цифрова апертура збільшує дисперсію, оскільки промені що подорожують під різними кутами проходять відрізки шляху різної довжини. Це, у кінцевому результаті, впливає на кількість часу необхідного для перетину загальної заданої довжини кабелю (Рис 1. 3.).

Рис 1. 3. Розповсюдження світлових променів через багатомодові оптичні світловоди

Градієнтне волокно:

У градієнтному волокні коефіцієнт заломлення у серцевині зменшується поступово від осі до зовнішньої стінки волокна. Це змушує промені світла вигинатися дугою при наближенні до оболонки, на відміну від несподіваного віддзеркалення на межі розділу компонентів волоска. Як наслідок, дугоподібний шлях просування зменшує багатовекторну дисперсію розповсюдження, тому що промені під значними кутами проходять через ділянку серцевини із малим показником заломлення швидше, ніж під великим. Профіль градієнту заломлення вибирається так, щоб мінімізувати різницю між продовжною швидкістю пропагації променів різної векторної направленості у волокні. Ідеальний профіль градієнту заломлення є дуже близький до параболічного при співвідношенні самої величини та відстані до осі (Рис 1. 4.).

Рис 1. 4. Розповсюдження світлових променів через градієнтні оптичні світловоди

Поляризаційно-стабільне волокно:

Поляризаційно-стабільні волокна мають спеціальні застосування, як оптоволоконе зондування, інтерферометрія та розповсюдження квантумних кодів. Загальноприйнятно, що вони також використовуються для сполучення лазерного джерела світла та модулятора, оскільки сам модулятор вимагає подачі поляризованого світла. Проте, для звя'зку на довгих відстаннях поляризаціно-стабільні волокна не експлуатуються, через підвищений рівень загасання сигналу в порівнянні із одномодовими волокнами.

Поляризаційно-стабільне оптоволокно не поляризує світло на зразок поляризатора. Скоріше, воно утримує існуючу поляризацію лінійно поляризованого світлового променя, що заживлений у волокно за умови правильної орієнтації. Якщо поляризація вхідного світлового потоку не налаштована до ладу із добре вираженим пропуским напрямком в самому світловоді, то вихідний сигнал буде визначатися в межах лінійної та кругової поляризації. Такі параметри подачі світла дають на виході еліптичну поляризацію в загальному випадку. Проте, точні її характеристики залежатимуть від зміни температури та стресу оптоволокна.

Фотонно-кристалічне волокно:

Фотонно-кристалічне оптоволокно - новий клас оптичних світловодів,

які працюють завдяки властивостям фотонних кристалів. Через неможливість локалізування світла в порожнині пустотілої серцевини та відсутність будь-яких схожих властивостей в традиційному оптоволокні, фотонно-кристалічні світловоди зараз набувають широкого застосування в оптичних комунікаціях, волоконних лазерах, нелінійних оптичних пристроях, трансляції високої потужності, надчутливих газових давачах та інших пристроях.

Фотонно-кристалічні волокна поділяються на дві категорії згідно з механізмом взаємодії зі світлом. Ті, що мають суцільну серцевину, чи серцевину із показником заломлення вищим, ніж мікроструктурнаоболонка, можуть оперувати згідно з тим самим принципом, що і звичайне оптоволокно. Проте, вони матимуть значнішу різницю показників заломлення серцевини та оболонки, що сприятиме ефективнішій локалізації випромінення у випадку нелінійних оптичних пристроїв. Інша категорія - це волокно із фотонно-спектральним зазіром, в якому світло утримується завдяки мікроструктурній оболонці. Якщо спектральний зазір підібраний правильно, то світловим потоком можна керувати в частині серцевини із низьким показником заломлення, або навіть цілковито постотілій, заповненій повітрям. Спектрально-зазірні волокна із відсутньою серцевиною потенційно можуть вирішити проблему, створену обмеженнями доступності необхідних матеріалів для виготовлення світловоду. Для прикладу, можна створити волокно, що провадить світло із довжиною хвилі, для якої прозорі матеріали відсутні. Ще одне потенційно важливе застосування, динамічне вприскуванння речовини у світловод. В такий спосіб можна аналізувати присутність якоїсь субстанції у вибраному зразку.

1.2 Волоконна оптика, оптичний світловод, вплив коефіцієнту поширення сигналу в мережі

Волоконна оптика - розділ прикладної науки і машинобудування, що описує такі волокна. Оптоволокна використовуються в оптоволоконномузв'язку, який дозволяє передавати цифрову інформацію на великі відстані і з вищою швидкістю передачі даних, ніж в електроннихзасобахзв'язку. У ряді випадків вони також використовуються при створенні давачів.

Відповідно до фізичних властивостей оптоволокна необхідні спеціальні методи для їх з'єднання з устаткуванням. Оптоволокна є основним елементом для різних типів волоконно-оптичних кабелів, залежно від того, де вони використовуватимуться.

З історичних відомостей відомо, що Принцип передачі світла усередині оптоволокна був вперше продемонстрований за часів королеви Вікторії (1837-1901), але розвиток сучасних оптоволокон почався в 1950-их. Їх почали використовувати в зв'язку дещо пізніше, в 1970-их; з цього часу технічний прогрес значно збільшив діапазон застосування і швидкість поширення оптоволокон, а також зменшив вартість систем оптоволоконного зв'язку.

Оптичний світловод - є фізичним середовищем транспортування оптичного сигналу і складається із серцевини та оболонки, що мають різні величини показниківзаломлення, це завдяки явищу повного внутрішнього відбиття надає змогу транспортувати оптичні сигнали (світло), котрі генеруються обладнанням до якого підключене оптичне волокно.

Повний опис процесу розповсюдження світла по оптичному волоконному світловоду (ВС) дає хвильова електромагнітна теорія. Вона показує, що розповсюджуватись по волоконному світловоду можуть лише ті типи хвиль, що формують у поперечному перерізі ВС резонансну хвилю. Такі типи хвиль утворюють моди хвилеводу. Режим роботи ВС (одно - чи багатомодовий) визначається величиною нормованої частоти V.

Відповідно за режимом роботи ВС поділяють на два основні типи Оптичні Волокна (ОВ)

Одномодові

Багатомодові

Серцевина оптичного світловоду має різноманітну залежність величини показника заломлення за радіальною віссю світловоду, котра називається профілем показника заломлення (ППЗ). Наприклад:

Світловоди з градієнтним показником заломлення

Світловоди із сходинковим профілем показника заломлення.

Якщо 0< V< 2, 4048, у волокні зі сходинковим профілем показника заломлення виконується одномодовий режим.

Коефіцієнт заломлення - це співвідношення швидкостей світла у вакуумі таматеріалі, до якого належить даний коефіцієнт. Промінь світла подорожує у вакуумі найшвидше за все зі швидкістю, близькою 300000 км/сек, а у діелектрику - повільніше. Це залежить від властивостей матеріалу. Тому показник заломлення для складових оптоволокна завжди більший одиниці. Типове значення коефіцієнту заломлення для оболонки становить 1. 46, а для серцевини - 1. 48. Чим більший показник заломлення в речовині - тим швидкість променю в ній нижча. Із вищезгаданого очевидно, що оптичний комунікаційний сигнал буде проходити приблизно 200 000 км/сек. Або, якщо сформулювати по-іншому: 1000 кілометрів сигнал пройде за 5 мсек.

Повне внутрішнє відбиття-Коли промінь що подорожує у густому матеріалі натикається на перешкоду під кутом падіння (більшим ніж критичний для даного матеріалу), то світло буде повністю віддзеркалене. Цей ефект використовується в оптичному волокні для утримування світлового випромінення у межах його серцевини. Воно поширюється вздовж волоска, відбиваючись вперед та назад від границі розділу двох складових кабелю. По причині того, що промінь повинен впасти на межу розділу під певним нахилом, що є більшим за критичний кут, то тільки світло, яке увійшло у систему у межах певного діапазону напрямків, може пройти через все волокно без просочування за його межі. Вказаний діапазон напрямків називається конусом отримування волокна. Розмір конусу отримування є функцією різниці індексів заломлення матеріалів серцевини та оболонки оптичної волосини (Рис 1. 5.).

Рис 1. 5. Траєкторія несучого світлового променя в оптичній волосині.

Іншими словами, існує максимальний кут відносно осі оптоволокна, під яким світловий промінь може увійти у середовище кабелю та просунутися вздовж його серцевини. Синус максимуму цього кута є цифровою апертурою (NA) волокна. Волокно із великим NA не потребує високої точності його зрощування, та може може функціонувати із іншим волокном, що має малий NA. Одномодові оптичні світловоди мають незначний NA.

1.3 Переваги волоконно-оптичних ліній зв'язку

Волоконно-оптичні лінії зв'язку мають ряд таких переваг:

* широкосмугових, обумовлена надзвичайно високу несучу частотою (Fo = 1014 Гц). За ВОЛЗ можна передавати інформацію зі швидкістю близько 1, 2 млрд. біт даних в секунду. * Дуже мала загасання. (0, 2-0, 3 дБ на довжині хвилі 1, 55 мкм на 1 км) світлового сигналу у волокні дозволяє будувати ВОЛЗ довжиною до 100 км і більше без ретрансляції сигналів. * Стійкість до електромагнітних перешкод з боку оточуючих мідних кабельних систем, електричного обладнання (лінії електропередачі, електродвігательние установки і т. д.) і погодних умов. * Захист від несанкціонованого доступу. Інформацію, що передається по волоконно-оптичних ліній зв'язку, практично не можна перехопити неруйнуючим способом. * Електробезпека. Через відсутність іскроутворення оптичне волокно підвищує вибухо-та пожежобезпечність мережі, що особливо актуально на хімічних, нафтопереробних підприємствах, при обслуговуванні технологічних процесів підвищеного ризику. * Мала вага та об'єм. Волоконно-оптичні кабелі мають меншу вагу та об'єм в порівнянні з мідними кабелями в розрахунку на одну й ту ж пропускну здатність. Наприклад, 900-парний телефонний кабель діаметром 7, 5 см, може бути замінений одним волокном з діаметром 0, 1 см. Якщо волокно «одягнути» в безліч захисних оболонок і покрити сталевий стрічкової бронею, його діаметр буде 1, 5 см, що в кілька разів менше розглянутого телефонного кабелю. * Невисока вартість. Волокно виготовлено з кварцу, основу якого становить двоокис кремнію, широко поширеної, а тому недорогого матеріалу, на відміну від міді. * Довговічність. Термін служби ВОЛЗ становить не менше 25 років.

Тож проаналізувавши літературні джерела, ознайомившись з типами оптоволокна які використовуються у сучасних локальних мережах, та ознайомившись з перевагами оптоволоконних ліній зв'язку ми переконалися, що оптоволокно є дуже поширене у використанні, також дізналися, що воно має просту будову та велику кількість переваг.

Размещено на Allbest.ru