Волоконная оптика и её применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Волоконная оптика и её применение

Пасхал Елена гр. ОВ-4-1



Введение

С начала развития компьютерной техники прошло немного немало -шестьдесят лет. За это время мы получили такие скорости вычислений, такие скорости передачи данных, о которых шестьдесят лет тому назад нельзя было и мечтать. Все началось с того, что в 1948 году вышли книги К. Шеннона “Математическая теория связи” и Н. Винера “Кибернетика, или управление и связь в животном и машине ”. Они и определили новый вектор развития науки, в результате чего появился компьютер: вначале ламповый гигант, затем транзисторный и на интегральных схемах, на микропроцессорах. И вот в 1989 году появился персональный компьютер IBM. В том же году вышла программа MS - DOS, а в 1990 - Windows-3.0, и далее пошло стремительное совершенствование “железа” и программного обеспечения. К концу столетия человечество получило потрясающую миниатюризацию компьютерной техники, сокращения расстояния между компьютером и человеком, тотальное проникновение компьютерных технологий в бытовую сферу. 1986 год - рождение Интернета, глобальной сети, охватившей практически все страны мира, поставляющей каждому пользователю текущую информацию. Получив настолько быструю обработку данных, люди пришли к выводу, что можно перестать терять время и деньги, также на передачу этих данных, а также увеличить скорость доступа, и скорость передачу данных. Это стало возможным благодаря использованию новых видов связи, таких как оптическое волокно, пришедших на замену банальным алюминиевым и медным проводам.

История развития волоконно-оптических линий связи началась в 1965-1967г., волноводные линии связи для передачи широкополосной информации, а также криогенные сверхпроводящие кабельные линии с малым затуханием.

С 1970 г. активно развернулись работы по созданию световодов и оптических кабелей, использующих видимое инфракрасное излучение оптического диапазона волн.

Тема об оптоволоконной линии связи, является актуальной на данный момент времени, так как число людей на планете растет, и потребности в улучшение жизни то же увеличиваются. Ещё с древних времён человек совершенствуется: улучшает свои знания, стремится улучшить жизнь, создавая и моделируя предметы быта. И сейчас многие фирмы создают телевизоры, телефоны, магнитофоны, компьютера и многое другое, то есть - бытовую технику, которая упрощают жизнь человека. Но для внедрения этих новых технологий нужно изменять или улучшать старое. В пример этому можно привести наши линии связи на коаксиальном (медном) кабеле, про которые уже было упомянуто выше. Их скорость мала, даже для передачи видеоинформации. А волоконная оптика как раз то, что нам нужно - её скоростью передачи информации очень велика. Плюс, низкие потери при передаче сигнала позволяет прокладывать значительные по дальности участки кабеля без установки дополнительного оборудования. Оптоволокно имеет хорошую помехозащищенность, легкость прокладки и долгие сроки работы кабеля практически в любых условиях. И, кроме того, оптоволокно не имеет смысла воровать с целью сдачи на металлолом.

В настоящее время оптоволокно находит свое применение преимущественно в теле - и интернет - коммуникациях. Но считается, что сегодняшнее использование оптоволокна лишь вершина айсберга его применения.



Волоконно-оптические линии связи как понятие

диод лазерный оптический волокно

Волоконная оптика является относительно молодой областью науки и техники, и её определение нельзя считать устоявшимся. Тем не менее мы попытаемся его дать.

Волоконная оптика (fiber optics) - это раздел оптики, в котором рассматривается передача света и изображения по светопроводам и волноводам оптического диапазона, в частности по многожильным световодам и пучкам гибких волокон.

Волоконно-оптические линии связи - это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно".

Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. К примеру, В настоящее время волоконно-оптические кабели проложены по дну Тихого и Атлантического океанов и практически весь мир "опутан" сетью волоконных систем связи (Laser Mag.-1993.-№3; Laser Focus World.-1992.-28, №12; Telecom. mag.-1993.-№25; AEU: J. Asia Electron. Union.-1992.-№5). Европейские страны через Атлантику связаны волоконными линиями связи с Америкой. США, через Гавайские острова и остров Гуам - с Японией, Новой Зеландией и Австралией. Волоконно-оптическая линия связи соединяет Японию и Корею с Дальним Востоком России. На западе Россия связана с европейскими странами Петербург - Кингисепп - Дания и С.-Петербург - Выборг - Финляндия, на юге - с азиатскими странами Новороссийск - Турция. В Европе, также, как и в Америке, давно уже нашли широкое применение практически во всех сферах связи, энергетики, транспорта, науки, образования, медицины, экономики, обороны, государственно-политической и финансовой деятельности. Итак, основания считать оптоволокно самой перспективной средой для передачи больших потоков информации вытекает из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам.

Физические особенности

Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой несущей частотой. Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 1 Терабит/с.

Говоря другими словами, по одному волокну можно передать одновременно10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут. А это означает, что до сих пор при столь сильной загруженности нашего Интернета не нашлось столько информации, которая при одновременной передачи привела бы к уменьшению скорости передаваемого потока данных.

Очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Иными словами потеря сигнала за счет сопротивления материала проводника. Лучшие образцы российского волокна имеют столь малое затухание, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более "прозрачные", так называемые фтороцирконатные волокна. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.



Технические особенности

Оптическое волокно представляет собой диэлектрический волновод, изготовленный из кварцевого стекла. Он имеет световедущую сердцевину с показателем преломления света n1, окруженную оболочкой с показателем преломления n2, причем n1>n2. Попадая в световедущую сердцевину, свет распространяется в ней за счет эффекта полного внутреннего отражения. Этот эффект имеет место при падении луча света на границу раздела двух сред из среды с большим показателем преломления n1 в среду с меньшим показателем n2, и наблюдается только до определенных значений угла величина которого определяется различиями n1 и n2. Обычно свет вводится в оптоволокно через торец. Предельная величина угла падения луча света на торец оптоволокна связана с критическим углом соотношением

sin am = n1 cos qкр = (n12 - n22)1/2 = (2n · Dn)1/2

где n = (n1 + n2)/2, а Dn = n1 - n2.

Величина NA = sin am = (2n · Dn)1/2 называется числовой апертурой оптоволокна и определяет способность оптоволокна собирать и передавать свет. Луч света, введенный в оптоволокно под углом меньшим m, будет распространяться по всей длине оптоволокна. Такой луч называется ведомой модой или просто модой.

При подборе компонентов для оптоволоконных систем учитываются 2 параметра оптоволокна, влияющие на эффективность трансляции: ширина полосы пропускания и затухание.



Ширина полосы -- это параметр пропускной способности волокна. Чем больше ширина полосы, тем больше информационная емкость. Пропускная способность характеризуется соотношением: частота/расстояние (МГц/км). Например, волокно 200 МГц/км способно передавать данные в полосе 200 МГц на расстояние до 1 км и в полосе 100 МГц на расстояние до 2 км.

Затухание. В дополнение к физическим изменениям импульсов света, возникающих из-за ограниченности полосы пропускания, также имеет место снижение уровня оптической мощности по мере прохождения импульсов по волокну. Такого рода потери оптической мощности или затухание измеряется в децибелах на километр (дБ/км) на указанной длине волны.

Потери в оптоволокне

Излучение, используемое в оптоволоконных системах, находится в инфракрасной части оптического спектра, в котором затухание при прохождении света через волокно сильно зависит от длины волны. Поэтому затухание или потери мощности должны измеряться для волн установленной длины для каждого типа волокна (см. рис. 3). Длина волны измеряется в нанометрах (нм) -- миллиардная метра -- и представляет собой расстояние между двумя циклами одной и той же волны. Количество потерянной оптической энергии, вызванное поглощением и рассеиванием излучения на определенной длине волны, выражается как коэффициент затухания в децибелах на километр (дБ/км).

Потери оптической мощности на волнах разной длины происходят в волокне из-за поглощения и рассеивания. Оптимальный режим эксплуатации волокна достигается на волнах определенной длины. Например, потери менее 1 дБ/км характерны для волокна многолучевого типа 50/125 мм, работающего при 1300 нм, и менее 3 дБ/км типичны для волокна этого же типа, работающего при 850 нм. Эти два диапазона длин волн -- 850 и 1300 нм являются самыми распространенными и наиболее часто используемыми сегодня для передачи сигнала по стекловолоконным кабелям. Для этих длин волн промышленностью выпускаются сегодня передатчики и приемники. Наилучшее качество имеет стекловолокно, работающее в однолучевом режиме при длине волны 1550 нм.

Потери на микроизгибах

Без соответствующей защиты оптическое волокно подвержено оптическим потерям, вызванным микроизгибами. Микроизгибы -- это временные отклонения волокна, вызванные поперечными нагрузками, которые влекут за собой потери оптической мощности в сердечнике. Для сведения к минимуму влияния микроизгибов применяются разные способы защиты волокна. В отличие от волокон ступенчатого типа, волокна с сердечником шагового типа относительно устойчивы к потерям при микроизгибах.

Первичная защита волокна

Оптоволокно -- очень тонкий световод. Внешние воздействия приводят к появлению микрозигзагов и, соответственно, к дополнительным потерям. Чтобы изолировать волокно от воздействия внешних сил применяют два дополнительных защитных слоя -- свободный буфер и плотный буфер. Свободный буфер сконструирован таким образом, что волокно находится в пластиковой трубке, у которой внутренний диаметр значительно больше, чем само волокно. Как правило, внутри пластиковая трубка заполняется гелем. Свободный буфер изолирует волокно от внешних механических повреждений, воздействующих на кабель. Многоволоконный кабель обычно состоит из нескольких таких трубок, каждая из которых содержит одно или несколько волокон, объединенных закрепляющими компонентами для защиты волокон от внешнего давления и минимизации растяжения.

Другой способ защиты волокна -- плотный буфер -- использует прямое прессование пластика поверх основного слоя волокна. Строение плотного буфера дает возможность противостоять гораздо большей силе удара и силе давления и не влечет за собой разрыв волокна. Хотя плотный буфер более гибкий, чем свободный, оптические потери, вызванные сильными изгибами и скручиванием, из-за микроизгибов могут превышать номинальные технические нормы. Улучшенная конструкция плотного буфера -- усиленный кабель, так называемый кабель breakout. В кабеле breakout волокно с плотным буфером окружено арамидной пряжей и покрытием, типа полихлорвинил. Затем одноволоконные элементы покрываются единой оболочкой для образования кабеля breakout. Преимущества такого “кабеля в кабеле” обеспечивают упрощенное подключение и установку.

Каждая из представленных конструкций имеет свои преимущества. Трубка свободного буфера дает более низкий коэффициент затухания кабеля при микроизгибах, чем в любом другом виде волокна, а также высокий уровень изоляции от воздействия внешних условий.

При воздействии длительных механических нагрузок свободная та трубка обеспечивает более стабильные параметры передачи. Конструкция плотного буфера проста и представляет собой гибкий и устойчивый к разрушению кабель.

Выбор физических параметров

Применяя свободный или плотный буфер, системный разработчик делает выбор между потерями при микроизгибах и гибкостью кабеля.

Для установки кабеля большое значение имеют механические свойства, такие как предел прочности, ударопрочность, гибкость. Требования к климатическим условиям -- это устойчивость к воздействию влаги, химических веществ и ряду других атмосферных и внешних условий.



Механическая защита

Стандартная нагрузка кабеля, возникающая при установке, может в конечном итоге привести волокно в напряженное состояние. Напряжение может вызвать потери при микроизгибах, что в свою очередь приводит к увеличению коэффициента затухания. Для того чтобы перераспределить нагрузочные напряжения, упростить установку и увеличить срок эксплуатации, в конструкцию оптического кабеля добавляют различного рода внутренние укрепляющие элементы. Такие элементы обеспечивают нагрузочные напряжения, присущие электронному кабелю, и освобождают волокно от давления, сводя до минимума эффект вытягивания и сжатия кабеля. В некоторых случаях такие элементы действуют как термоизоляторы.

Укрепляющие элементы, которые, как правило, используются в оптоволоконном кабеле, включают в себя арамидную пряжу, стекловолоконный эпоксидный стержень (FGE) и стальной провод. Намотанная виток к витку арамидная пряжа оказывается в 5 раз прочнее стали. Вместе со стекловолоконным эпоксидным стержнем пряжа является обязательным компонентом при создании диэлектрика. Для эксплуатации при чрезвычайно низких температурах выбирают сталь и FGE, так как эти материалы более устойчивы к колебаниям температур.

Основные составляющие элементы оптоволокна

Строение оптоволокна:

- стержень: зона прохождения света через волокно (стекло или пластик). Чем больше диаметр стержня, тем больший пучок светового излучения передается по волокну.

- оболочка: обеспечивает достаточно низкий показатель преломления на поверхности стержня, чтобы вызвать эффект полного внутреннего отражения в сердечнике для передачи световых волн через волокно.

- покрытие: представляет собой многослойную пластмассовую оболочку, предназначенную для защиты волокна от ударов и других внешних воздействий. Такие буферные покрытия имеют толщину от 250 до 900 мкм.

Диаметр волокна

Размеры стекловолокна обычно характеризуются внешним диаметром сердечника, оболочки и покрытия. Например: 50/125/250 указывает, что у оптоволокна диаметр сердечника -- 50 микрон, оболочки -- 125 микрон и покрытия -- 250 микрон. Для сравнения -- лист бумаги по толщине приблизительно равен 25 микронам. При подключении или соединении волокон покрытие всегда удаляется.



Преимущества ВОЛС

Передача информации по ВОЛС имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю. Стремительное внедрение в информационные сети Волс является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне.

Широкая полоса пропускания - обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 1014Гц. 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 ибыточностью 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" в 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.

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.

Есть в волоконной технологии и свои недостатки.

При создании линии связи требуются активные высоконадежные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы. Необходимы также оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение.

Точность изготовления таких элементов линии должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.

Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется дорогостоящее технологическое оборудование:

а) инструменты для оконцовки;

б) коннекторы;

в) тестеры;

г) муфты и спайс- кассеты.

Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.

Оптическое волокно и его виды

Промышленность многих стран освоила выпуск широкой номенклатуры изделий и компонентов оптоволокна. Следует заметить, что производство компонентов отличает высокая степень концентрации.

Большинство предприятий сосредоточено в США. Обладая главными патентами, американские фирмы (в первую очередь это относится к фирме "CORNING GLASS") оказывают влияние на производство и рынок компонентов во всем мире, благодаря заключению лицензионных соглашений с другими фирмами и созданию совместных предприятий.

Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовое SMF (single mode fiber) и многомодовое MMF (multi mode fiber). Свое название волокна получили от способа распространения излучения в них. Волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления. В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10 мкм, то есть сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода, как ее называют).

Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые одномодовые волокна (step index single mode fiber) или стандартные волокна SF (standard fiber), на волокна со смещенной дисперсией DSF (dispersion-shifted single mode fiber), и на волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (non-zero dispersion-shifted single mode fiber).

Одномодовое волокно

Согласно законам физики, при достаточно малом диаметре волокна и соответствующей длине волны через световод будет распространяться единственный луч. Вообще сам факт подбора диаметра сердечника под одномодовый режим распространения сигнала говорит о частности каждого отдельного варианта конструкции световода. Т.е. при употреблении понятий много- и одномодовости следует понимать характеристики волокна относительно конкретной частоты используемой волны. Распространение лишь одного луча позволяет избавиться от межмодовой дисперсии. Как уже отмечалась именно эта дисперсия имеет наибольшее влияние на пропускную способность канала. Величины материальной и межчастотной дисперсии на порядки меньше межмодовой. Однако одномодовое волокно исключает возможность распространения нескольких лучей, поэтому межмодовая дисперсия отсутствует, в связи с чем одномодовые световоды на порядки производительнее. На данный момент применяется сердечник с внешним диаметром около 8 микрон. Как и в случае с многомодовыми световодами, используется и ступенчатая и градиентная плотность распределения материала. Второй вариант более производительный. Одномодовая технология более тонкая, дорогая и применяется в настоящее время в телекоммуникациях, многомодовые же кабели завоевали свою нишу в локальных компьютерных сетях.

Многомодовое ступенчатое волокно

Основное различие между вариантами оптического волокна состоит в свойствах применяемого в них сердечника. Самый простой вариант сердечника - это кварцевое стекло с равномерной плотностью. Если отобразить плотности распределения слоев волокна, то получится ступенчатая картина, что и отображено в названии этого типа волокна. При достаточно большом радиусе равномерно плотного световода наблюдается эффект межмодовой дисперсии. Ее влияние на производительность оптического канала оказывается много больше межчастотной и материальной. Поэтому при расчете пропускной способности канала пользуются именно ее показателями. В настоящее время используют три стандартных диаметра сердечника многомодового волокна: 100 микрон, 62.5 микрон и 50 микрон. Наиболее распространены световоды диаметром 62.5 микрон, однако постепенно все более прочные позиции завоевывает сердечник 50 микрон. Вследствие простых геометрических законов распространения света несложно убедиться в его большей пропускной способности, поскольку он пропускает меньшее количество мод, тем самым уменьшая дисперсию импульса на выходе. Размер световодов выбран не случайно. Он непосредственно связан с используемой частотой световой волны. На данный момент выделяют три основных длины волны: 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Почему выбраны именно эти длины волн, мы поясним позже. Многомодовые ступенчатые волокна обладают малой пропускной способностью относительно действительных возможностей света, в связи с этим чаще в многомодовой технологии используют градиентные волокна.

Многомодовое градиентное волокно

Название волокна говорит само за себя. Основное отличие градиентного волокна от ступенчатого заключается в неравномерной плотности материала световода. Если отобразить плотности распределение на графике, то получится параболическая картина. Эффект межмодовой дисперсии как и в случае ступенчатой схемы все же проявляется, однако намного меньше. Это легко объяснимо с точки зрении геометрии. На рисунке видно, что длины пути лучей сильно сокращены за счет сглаживания. Более того интересен тот факт, что лучи проходящие дальше от оси световода хотя и преодолевают большие расстояния, но при этом имеют большие скорости, так как плотность материала от центра к внешнему радиусу уменьшается. А световая волна распространяется тем быстрее, чем меньше плотность среды. В итоге более длинные траектории компенсируются большей скоростью. При удачно сбалансированном распределении плотности стекла возможно свести к минимуму разницу во времени распространения, за счет этого межмодовая дисперсия градиентного волокна намного меньше. Как и в случае со ступенчатым волокном, в настоящее время используют три стандартных диаметра градиентного сердечника: 100 микрон, 62.5 микрон и 50 микрон, работающих также на частотах 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Однако насколько не были бы сбалансированны градиентные многомодовые волокна, их пропускная способность не сравниться с одномодовыми технологиями.

Волоконно-оптический кабель

Вторым важнейшим компонентом, определяющим надежность и долговечность является волоконно-оптический кабель (ВОК). На сегодня в мире несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них: AT&T, General Cable Company (США); Siecor (ФРГ); BICC Cable (Великобритания); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония), Pirelli(Италия).

Определяющими параметрами при производстве ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи. По условиям эксплуатации кабели подразделяют на:

- монтажные

- станционные

- зоновые

- магистральные.

Первые два типа кабелей предназначены для прокладки внутри зданий и сооружений. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую строительную длину. Кабели последних двух типов предназначены для прокладки в колодцах кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти кабели имеют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух километров.

Для обеспечения большой пропускной способности линии связи производятся ВОК, содержащие небольшое число (до 8) одномодовых волокон с малым затуханием, а кабели для распределительных сетей могут содержать до 144 волокон как одномодовых, так и многомодовых, в зависимости от расстояний между сегментами сети.

При изготовлении ВОК в основном используются два подхода:

конструкции со свободным перемещением элементов

конструкции с жесткой связью между элементами.

По видам конструкций различают кабели повивной скрутки, пучковой скрутки, с профильным сердечником, ленточные кабели. Существуют многочисленные комбинации конструкций ВОК, которые в Сочетании с большим ассортиментом применяемых материалов позволяют выбрать исполнение кабеля, наилучшим образом удовлетворяющее всем условиям проекта, в том числе - стоимостным.

Отдельно рассмотрим способы сращивания строительных длин кабелей.

Сращивание строительных длин оптических кабелей производится с использованием кабельных муфт специальной конструкции. Эти муфты имеют два или более кабельных ввода, приспособления для крепления силовых элементов кабелей и одну или несколько сплайс-пластин. Сплайс-пластина - это конструкция для укладки и закрепления сращиваемых волокон разных кабелей.

После того, как оптический кабель проложен, необходимо соединить его с приемо-передающей аппаратурой. Сделать это можно с помощью оптических коннекторов (соединителей). В системах связи используются коннекторы многих видов.

Области применения и классификация волоконно-оптических кабелей (ВОК)

В зависимости от основной области применения волоконно-оптические кабели подразделяются на три основных вида:

· кабели внешней прокладки (outdoor cables);

· кабели внутренней прокладки (indoor cables);

· кабели для шнуров.

Кабели внешней прокладки используются при создании подсистемы внешних магистралей и связывают между собой отдельные здания.



Основной областью использования кабелей внутренней прокладки является организация внутренней магистрали здания, тогда как кабели для шнуров предназначены в основном для изготовления соединительных и коммутационных шнуров, а также для выполнения горизонтальной разводки при реализации проектов класса «fiber to the desk» (волокно до рабочего места) и «fiber to the room» (волокно до комнаты).

Общую классификацию оптических кабелей СКС можно представить в виде как показано на рисунке.

Электронные компоненты систем оптической связи

Передающие оптоэлектронные модули.

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), применяемые в волоконно-оптических системах, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Последние должны быть введены в волокно с минимальными потерями. Производятся весьма разнообразные ПОМ, отличающиеся по конструкции, а также по типу источника излучения. Одни работают на телефонных скоростях с максимальным расстоянием до нескольких метров, другие передают сотни и даже тысячи мегабит в секунду на расстояния в несколько десятков километров.



Типы и характеристики источников излучения

Главным элементом ПОМ является источник излучения. Перечислим основные требования, которым должен удовлетворять источник излучения, применяемый в ВОЛС:

- излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна. В традиционных оптических волокнах существует три окна, в которых достигаются меньшие потери света при распространении: 850. 1300, 1550 нм;

- источник излучения должен выдерживать необходимую частоту модуляции для обеспечения передачи информации на требуемой скорости;

- источник излучения должен быть эффективным, в том смысле, что большая часть излучения источника попадала в волокно с минимальными потерями;

- источник излучения должен иметь достаточно большую мощность, чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, но и не на столько, чтобы излучение приводило к нелинейным эффектам или могло повредить волокно или оптический приемник;

- температурные вариации не должны сказываться на функционировании источника излучения;

- стоимость производства источника излучения должна быть относительно невысокой.

Два основных типа источников излучения, удовлетворяющие перечисленным требования используются в настоящее время - светодиоды (LED) и полупроводниковые лазерные , (LD).

Главная отличительная черта между светодиодами и лазерными диодами -это ширина спектра излучения. Светоизлучающие диоды имеют широкий спектр излучения, в то время верные диоды имеют значительно более узкий спектр, см. рис 1. Оба типа устройств весьма компактны и хорошо сопрягаются со стандартными электронными цепями.

Рис Спектры излучения светодиодов и лазерных диодов

Светоизлучающие диоды

Благодаря своей простоте и низкой стоимости, светодиоды распространены значительно шире, чем лазерные диоды.

Принцип работы светодиода основан на излучательной рекомбинации носителей заряда в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока, рис. 2. а. Носители заряда - электроны и дырки - проникают в активный слой (гетеропереход) из прилегающих пассивных слоев (р- и n-слоя) вследствие подачи напряжения на р-n структуру и затем испытывают спонтанную рекомбинацию, сопровождающуюся излучением света.

Длина волны излучения X (мкм) связана с шириной запрещенной зоны активного слоя Eg (эВ) законом сохранения энергии ?= 1,24/Еg, рис. 2. б.

Показатель преломления активного слоя выше показателя преломления ограничивающих пассивных слоев, благодаря чему рекомбинационное излучение может распространяться в пределах активного слоя, испытывая многократное отражение, что значительно повышает КПД источника излучения.



Рис. Двойная гетероструктура: а) гетероструктура; б) энергетическая диаграмма при прямом смещении

Гетерогенные структуры могут создаваться на основе разных полупроводниковых материалов. Обычно в качестве подложки используются GaAs и 1пР. Соответствующий композит композиционный состав активного материала выбирается в зависимости от длины волны излучения создается посредством напыления на подложку.

Длину волны излучения ?0 определяют как значение, соответствующее максимуму спектрального распределения мощности, а ширину спектра излучения ??0,5 - интервал длин волн, в котором спектральная плотность мощности составляет половину максимальной.

Лазерные диоды

Два главных конструктивных отличия есть у лазерного диода по сравнению со светодиодом. Первое, лазерный диод имеет встроенный оптический резонатор. Второе, лазерный диод работает при значительно больших значениях токов накачки, чем светодиод, что позволяет при превышении некоторого порогового значения получить режим индуцированного излучения. Именно такое излучение характеризуется высокой когерентностью, благодаря чему лазерные диоды имеют значительно меньше ширину спектра излучения (1-2 нм) против 30-50 нм у светодиодов.

Зависимость мощности излучения от тока накачки описывается ватт-амперной характеристикой лазерного диода. При малых токах накачки лазер, испытывает слабое спонтанное излучение, работая как малоэффективный светодиод. При превышении некоторого порогового значения тока накачки Ithres, излучение становится индуцированным, что приводит к резкому росту мощности излучения и его когерентности, рис.

Рис. Ватт-амперные характеристики: 1 - лазерного диода; 2 -светодиода

Лазер состоит из активной среды, устройства накачки и резонансной системы (рис. 23). Активной средой может быть твердый, жидкий или газообразный материал. Широкое применение получили полупроводники. В качестве устройства накачки используется главным образом электрическая энергия. Могут применяться также солнечная радиация, атомная энергия, химическая реакция и другие источники. Роль резонанса выполняют зеркала или другие полированные поверхности.



Рис. Принципиальная схема лазера: 1 -- активная среда; 2 -- устройство накачки; 3 -- резонансная система

По принципу действия и эффекту светового излучения лазер может быть отнесен к люминесцентным материалам. Известны различные виды люминесценции (свечения): тепловая (лампочка накаливания), холодная (фосфор и другие светящиеся материалы), природная (светлячок, гнилое дерево), химическая (активная реакция) и др. В полупроводниковых лазерах действует электрическая люминесценция -- свечение происходит за счет электрической накачки.

Принцип действия квантовых приборов (лазеров) основан на использовании излучения атомов вещества под воздействием внешнего электромагнитного поля. Из квантовой механики известно, что движение электронов атома вокруг ядра характеризует энергетическое состояние электронов, иначе называемое энергетическим уровнем. При переходе электронов с одной орбиты на другую под воздействием внешнего электромагнитного поля меняется энергетический уровень и происходит излучение энергии.

В настоящее время применяются различные типы лазеров: полупроводниковые, твердотельные, газовые и др. Полупроводниковый лазер представляет собой полупроводниковый диод типа р-п, выполненный из активного материала, способного излучать световые кванты--фотоны. В качестве такого материала преимущественно используется арсенид галия с соответствующими добавками (теллура, алюминия, кремния, цинка). В зависимости от характера и количества присадок полупроводник имеет области электронной п (за счет теллура) и дырочной р (за счет цинка) проводимостей.

Под действием приложенного напряжения в полупроводнике происходит возбуждение носителей, в силу чего возникает излучение световой энергии и появляется поток фотонов. Этот поток, многократно отражаясь от зеркал, образующих резонансную систему, усиливается, что приводит к появлению лазерного луча с остронаправленной диаграммой излучения.

Схематично полупроводниковый лазер показан на (рис.).

Рис. Полупроводниковый лазер

Объем полупроводника примерно 1 мм3. К нему подведены металлические электроды для подачи электрического напряжения. Роль отражающих зеркал выполняют плоскопараллельные отполированные торцевые грани полупроводника. Излучение происходит в слое р-п перехода толщиной 0,15...0,2 мкм.

Наряду с лазерами в качестве источника оптического излучения могут применяться светодиоды. Светодиод является таким же люминесцентным полупроводником типа р-п из арсенида галия, но не имеет резонансного усиления. В отличие от лазера, обладающего остронаправленным когерентным лучом, в светодиоде излучение происходит спонтанно (самопроизвольно) и луч имеет меньшую мощность и широкую направленность.

Сравнивая обычный свет, создаваемый, например, лампочкой накаливания, с лазерным лучом, можно отметить, что в обоих случаях действует поток фотонов. Но в отличие от обычного света, основанного на тепловой природе возникновения и излучающего очень широкий непрерывный спектр частот, лазерный луч имеет электромагнитную основу и представляет собой монохроматический (одноволновый) луч.

Рис. Ширина спектра лазера (1), светодиода (2)

Лазерный луч обладает рядом замечательных свойств. Он распространяется на большие расстояния и имеет строго прямолинейное направление. Луч движется очень узким пучком с малой степенью расходимости (он достигает луны с фокусировкой в сотни метров). Лазерный луч обладает большой теплотой и может пробивать отверстие в любом материале. Световая интенсивность луча больше, чем интенсивность самых сильных источников света.



Рис. Полупроводниковый фотодиод

В качестве приемного устройства, преобразующего свет в электричество, применяется фотодиод. Здесь используется эффект Столетова, состоящий в том, что при воздействии света на активный материал, например полупроводник, изменяются его электрические свойства и возникает электрический сигнал (рис.6).

Таким образом в лазерах электричество преобразуется в свет, а в фотодиодах происходит обратный процесс: свет преобразуется в электричество.

В магистральных ВОЛС используются два окна 1,3 и 1,55 мкм. Поскольку наименьшее затухание в волокне достигается в окне 1,55 мкм, на сверхпротяженных безретрансляционных участках (L = 100 км) эффективней использовать оптические передатчики именно с этой длиной волны. В то же время на многих магистральных ВОЛС а состав ВОК входят только ступенчатые одномодовые волокна, имеющие минимум хроматической дисперсии в окрестности 1,3 мкм (волокон со смещенной дисперсией нет). На длине волны 1,55 мкм удельная хроматическая дисперсия у SMF составляет 17 пс/нм-км. А поскольку полоса пропускания обратно пропорциональна ширине спектра излучения, то увеличить полосу пропускания можно только меньшая ширину спектра излучения лазера. Итак, для того чтобы оптические передатчики на длине волны 1,55 мкм могли в равной степени использоваться на протяженной линии не только с одномодовым волокном со смещенной дисперсией (DSF), но и со ступенчатым волокном (SMF), необходимо делать ширину спектра излучения передатчиков как можно меньше.

Четыре основных типа лазерных диодов получили наибольшее распространение: с резонатором Фабри-Перо; с распределенной обратной связью; с распределенным брэгговским гражением; с внешним резонатором.

Лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо (FP лазеры, Fabry-Perot). Резонатор в таком лазерном диоде образуется торцевыми поверхностями, окружающими с обеих сторон гетерогенный переход. Одна из поверхностей отражает свет с коэффициентом отражения, близким к 100%, другая является полупрозрачной, обеспечивая, таким образом, выход излучения наружу.

На рис. 1 б показан спектр излучения промышленного лазерного диода с использованием резонатора Фабри-Перо. Как видно из рисунка, наряду с главным пиком, в котором сосредоточена основная мощность излучения, существуют побочные максимумы. Причина их возникновения связана с условиями образования стоячих волн. Для усиления света определенной длины волны необходимо выполнение двух условий. Первое, длина волны должна удовлетворять соотношению 2D = N?? где D - диаметр резонатора Фабри-Перо, а N - некоторое целое число. Второе, длина волны должна попадать в диапазон, в пределах которого свет может усиливаться индуцированным излучением. Если этот диапазон достаточно мал, то имеет место одномодовый режим с шириной спектра меньше 1 нм. В противном случае в область ??0,5 могут попасть два или более соседних максимумов, что соответствует многомодовому режиму с шириной спектра от одного до нескольких нм. FP лазер имеет далеко самые высокие технические характеристики, но для тех приложений, где не требуется высокая высокая скорость передачи данных, он, в силу более простой конструкции, наилучшим образом подходит с точки зрения цена-эффективность.

Следует отметить, что даже в том случае, когда соседние максимумы малы, то есть где реализуется одномодовый режим излучения и ?? мало, с ростом скорости передачи у лазера наблюдается перераспределение мощности в модах, которое приводит к паразитному эффекту - динамическому уширению спектра ?? (до 10 нм при частоте модуляции 1-2 ГГц).

Этот эффект отсутствует у перечисленных трех других более совершенных типов лазерных диодов, отличающихся способом организации оптического резонатора, и являющихся некоторой степени модернизацией простого резонатора Фабри-Перо.

Лазерные диоды с распределенной обратной связью (DFB лазер) и с распределена брэгговским отражением (DBR лазер). Резонаторы у этих двух довольно схожих типов представляют собой модификацию плоского резонатора Фабри-Перо, в которой добавлена периодическая пространственная модуляционная структура. В DFB лазерах периодическая структура совмещена с активной областью (рис. 7 а), а в DBR лазерах периодическая структура вынесена за пределы активной области (рис. 7. б). Периодическая структура влияет условия распространения и характеристики излучения. Так, преимуществами DFB и DBR лазеров по сравнению с FP лазером являются: уменьшение зависимости длины волны лазера тока инжекции и температуры, высокая стабильность одномодовости и практически 10 процентная глубина модуляции. Температурный коэффициент ??/?Т для FP лазера порядка 0,5-1 нм/°С, в то время как для DFB лазера порядка 0,07-0,09 нм/°С. Основным недостатке DFB и DBR лазеров является сложная технология изготовления и, как следствие, более высокая цена.

Лазерный диод с внешним резонатором (ЕС лазер). В ЕС лазерах один или оба торца покрываются специальным слоем, уменьшающим отражение, и соответственно, одно или два зеркала ставятся вокруг активной области полупроводниковой структуры. На рис. 7-7 в) показан пример ЕС лазера с одним внешним резонатором. Антиотражательное покрытие уменьшает коэффициент отражения примерно на четыре порядка, в то время как другой торец активного слоя отражает до 30% светового потока благодаря френелевскому отражению. Зеркало, как правило, совмещает функции дифракционной решетки. Для улучшения обратно связи между зеркалом и активным элементом устанавливается линза.

Увеличивая или уменьшая расстояние до зеркала, а также одновременно разворачивая зеркало-решетку - это эквивалентно изменению шага решетки -можно плавно изменять длину волны излучения, причем диапазон настройки достигает 30 нм. В силу этого, ЕС лазеры являются незаменимыми при разработке аппаратуры волнового уплотнения и измерительной аппаратуры для ВОЛС. По характеристикам они схожи с DFB и DBR лазерами.

Другие характеристики

Также важными характеристиками источников излучения являются: быстродействие источника излучения; деградация и время наработки на отказ. Быстродействие источника излучения. Экспериментально измеряемым параметром, отражающим быстродействие источника излучения, является максимальная частота модуляции, Предварительно устанавливаются пороги на уровне 0,1 и 0,9 от установившегося значения мощности светового излучения при низкочастотной модуляции прямоугольными импульсами тока. По мере роста частоты модуляции, т.е. при переходе на меньшие масштабы по временной шкале, форма световых фронтов становится более пологой. Для описания фронтов вводят времена нарастания Trise и спада tmi мощности излучения, определяемые как временные интервалы, за которые происходит нарастание от 0,1 до 0,9 и, наоборот, спад светового сигнала от 0,9 до 0,1. Максимальная частота модуляции определяется как частота входных электрических импульсов, при которой выходной оптический сигнал перестает пересекать пороговые значения 0,1 и 0,9, оставаясь при этом во внутренней области. Для светодиодов эта частота может достигать до 200 МГц, а у лазерных диодов - значительно больше (несколько ГГц). Времена нарастания и спада предоставляют информацию о полосе пропускания W. Если предположить, что они равны между собой (а это не всегда так), то полосу пропускания можно определить по формуле : W = 0,35/?rise.

Рис. Три основных типа лазерных диодов: а) лазер с распределенной обратной связью, DFB лазер; б) лазер с распределенным брэгговским отражением, DBR лазер; в) лазер с одним внешним резонатором, ЕС лазер

Деградация и время наработки на отказ. По мере эксплуатации оптического передатчика его характеристики постепенно ухудшаются - падает мощность излучения, и, в конце концов, он выходит из строя. Это связано с деградацией полупроводникового слоя. Надежность полупроводникового излучателя определяется средней наработкой на отказ или интенсивностью отказов. Лазерные диоды, выпускаемые десять лет назад, обладали значительно меньшей надежностью по сравнению со светодиодами. Однако в настоящее время, благодаря совершенствованию конструкций и технологии изготовления, удалось значительно повысить надежность лазерных диодов и приблизить их к светодиодам по времени наработки на отказ, которое составляет до 50000 часов и более (5-8 лет).

Основные элементы ПОМ

Для организации передачи оптических сигналов не достаточно иметь только источник излучения. В любой конструкции ПОМ есть специальный держатель (housing), который позволяет закрепить и защитить составные элементы передатчика; источник излучения, узел электрического интерфейса и место сопряжения с волокном. Иногда требуются дополнительные внутренние элементы для оптимального подсоединения волокна. Важным элементом лазерных диодов является цепь тока накачки, и система контроля температуры. Для сложных лазерных систем добавляют выходной мониторинг оптического сигнала. Общая схема конструкции оптического передатчика, в которой не все элементы являются обязательными, показана на рис.

Рис. Составляющие элементы передающего оптоэлектронного модуля

Волоконные световоды

Основным элементом ОК является волоконный световод, выполненный в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы.

Волоконный световод имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными оптическими характеристиками (показателями преломления ).

Сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии. Назначение оболочки: создание лучших условий отражения на границе “сердцевина--оболочка” и защита от излучения энергии в окружающее пространство. Снаружи располагается защитное покрытие для предохранения волокна от механических воздействий и нанесения расцветки.

Сердцевина и оболочка изготовляются из кварца , покрытие -- из эпоксиакрилата, фторопласта, нейлона, лака и других полимеров.

Оптические волокна классифицируются на одномодовые и многомодовые. Последние подразделяются на ступенчатые и градиентные. Одномодовые волокна имеют тонкую сердцевину (6…8 мкм), и по ним передается одна волна; по многомодовым (сердцевина 50 мкм) распространяется большое число волн. Наилучшими параметрами по пропускной способности и дальности обладают одномодовые волокна. У ступенчатых световодов показатель преломления в сердечнике постоянен, имеется резкий переход от сердцевины к оболочки и лучи зигзагообразно отражаются от границы “сердечник--оболочка”. Градиентные световоды имеют непрерывное плавное изменение показателя преломления в сердцевине по радиусу световода от центра к периферии, и лучи распространяются по волнообразным траекториям. Показатель преломления сердцевины меняется вдоль радиуса по закону показательной функции

где -- максимальное значение показателя преломления на оси волокна, т. е. при r=0; и-- показатель степени, описывающей профиль изменения показателя преломления:



Чаще всего применяются световоды с параболическим профилем. В этом случае и=2 и соответственно:

Если принять , то получим известное значение п ступенчатого световода

.

Дисперсия и пропускная способность

Параметр (пропускная способность) является наряду с затуханием к важнейшим параметром ВОСП. Он определяет полосу частот, пропускаемую световодом, и соответственно объем информации, который можно передать по ОК..

...