Оптоволоконные линии связи что это такое

Волоконно-оптическая связь — Википедия

Волоко́нно-опти́ческая связь — способ передачи информации, использующий в качестве носителя информационного сигнала электромагнитное излучение оптического (ближнего инфракрасного) диапазона, а в качестве направляющих систем — волоконно-оптические кабели. Благодаря высокой несущей частоте и широким возможностям мультиплексирования пропускная способность волоконно-оптических линий многократно превышает пропускную способность всех других систем связи и может измеряться терабитами в секунду. Малое затухание света в оптическом волокне позволяет применять волоконно-оптическую связь на значительных расстояниях без использования усилителей. Волоконно-оптическая связь свободна от электромагнитных помех и труднодоступна для несанкционированного использования: незаметно перехватить сигнал, передаваемый по оптическому кабелю, технически крайне сложно.

В основе волоконно-оптической связи лежит явление полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления. Оптическое волокно состоит из двух элементов — сердцевины, являющейся непосредственным световодом, и оболочки. Показатель преломления сердцевины несколько больше показателя преломления оболочки, благодаря чему луч света, испытывая многократные переотражения на границе сердцевина-оболочка, распространяется в сердцевине, не покидая её.

Волоконно-оптическая связь находит всё более широкое применение во всех областях — от компьютеров и бортовых космических, самолётных и корабельных систем, до систем передачи информации на большие расстояния, например, в настоящее время успешно используется волоконно-оптическая линия связи Западная Европа — Япония, большая часть которой проходит по территории России. Кроме того, увеличивается суммарная протяжённость подводных волоконно-оптических линий связи между континентами.

Волокно в каждый дом (англ. Fiber to the premises, FTTP или Fiber to the home, FTTH) — термин, используемый телекоммуникационными интернет-провайдерами для обозначения широкополосных телекоммуникационных систем, базирующихся на проведении волоконного канала и его завершения на территории конечного пользователя путём установки терминального оптического оборудования для предоставления комплекса телекоммуникационных услуг, включающего:

• высокоскоростной доступ в Интернет;
• услуги телефонной связи;
• услуги телевизионного приёма.

Стоимость использования волоконно-оптической технологии уменьшается, что делает данную услугу конкурентоспособной по сравнению с традиционными услугами.

Историю систем передачи данных на большие расстояния следует начинать с древности, когда люди использовали дымовые сигналы. С того времени эти системы кардинально улучшились, появились сначала телеграф, затем — коаксиальный кабель. В своем развитии эти системы рано или поздно упирались в фундаментальные ограничения: для электрических систем это явление затухания сигнала на определённом расстоянии, для сверхвысокочастотных (СВЧ) систем — несущая частота. Поэтому продолжались поиски принципиально новых систем, и во второй половине XX века решение было найдено — оказалось, что передача сигнала с помощью света гораздо эффективнее как электрического, так и СВЧ-сигнала.

В 1966 году Као и Хокам из STC Laboratory (STL) представили оптические нити из обычного стекла, которые имели затухание в 1000 дБ/км (в то время как затухание в коаксиальном кабеле составляло всего 5—10 дБ/км) из-за примесей, которые в них содержались и которые, в принципе, можно было удалить.

Существовало две глобальных проблемы при разработке оптических систем передачи данных: источник света и носитель сигнала. Первая разрешилась с изобретением лазеров в 1960 году, вторая — с появлением высококачественных оптических кабелей в 1970 году. Это была разработка Corning Incorporated (англ.). Затухание в таких кабелях составляло около 20 дБ/км, что было вполне приемлемым для передачи сигнала в телекоммуникационных системах. В то же время были разработаны достаточно компактные полупроводниковые GaAs-лазеры.

После интенсивных исследований в период с 1975 по 1980 год появилась первая коммерческая волоконно-оптическая система, оперировавшая светом с длиной волны 0,8 мкм и использовавшая полупроводниковый лазер на основе арсенида галлия (GaAs). Битрейт систем первого поколения составлял 45 Мбит/с, расстояние между повторителями — 10 км.

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

Второе поколение волоконно-оптических систем было разработано для коммерческого использования в начале 1980-х. Они оперировали светом с длиной волны 1,3 мкм от InGaAsP-лазеров. Однако такие системы всё ещё были ограниченны из-за рассеивания, возникающего в канале. Однако уже в 1987 году эти системы работали на скорости до 1,7 Гбит/с при расстоянии между повторителями 50 км.

Прокладка первой в мире трансокеанской волоконно-оптической линии связи была завершена в 1988 году (между Японией и США), её длина составила около 10 тысяч километров.^[1] Первый трансатлантический телефонный оптический кабель (TAT-8) был введён в эксплуатацию также в 1988 году. В его основе лежала оптимизированная Э. Дезюрвиром (E.Desurvire) технология лазерного усиления. TAT-8 разрабатывался как первый подводный волоконно-оптический кабель между Соединёнными Штатами и Европой.

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).^[2] В 2009 году лаборатории Белла посредством мультиплексирования 155 каналов по 100 Гбит/с удалось передать данные со скоростью 15,5 Тбит/с на расстояние 7000 км.^[3] В 2013 году ученые из Bell протестировали технологию шумоподавления, которая позволяет передать 400 Гб/сек по оптоволокну на 12 800 км без повторителей сигнала. ^[4]

ВОЛС, всё про волоконно-оптические линии связи!

Самой высокой пропускной способностью среди всех существующих средств связи обладает оптическое волокно (диэлектрические волноводы). Волоконно-оптические кабели применяются для создания ВОЛС – волоконно-оптических линий связи, способных обеспечить самую высокую скорость передачи информации (в зависимости от типа используемого активного оборудования скорость передачи может составлять десятки гигабайт и даже терабайт в секунду).

Кварцевое стекло, являющееся несущей средой ВОЛС, помимо уникальных пропускных характеристик, обладает ещё одним ценным свойством – малыми потерями и нечувствительностью к электромагнитным полям. Это выгодно отличает его от обычных медных кабельных систем.

Данная система передачи информации, как правило, используется при постройке рабочих объектов в качестве внешних магистралей, объединяющих разрозненные сооружения или корпуса, а также многоэтажные здания. Она может использоваться и в качестве внутреннего носителя структурированной кабельной системы (СКС), однако законченные СКС полностью из волокна встречаются реже – в силу высокой стоимости строительства оптических линий связи.

Применение ВОЛС позволяет локально объединить рабочие места, обеспечить высокую скорость загрузки Интернета одновременно на всех машинах, качественную телефонную связь и телевизионный приём.

Преимущества ВОЛС

При грамотном проектировании будущей системы (этот этап подразумевает решение архитектурных вопросов, а также выбор подходящего оборудования и способов соединения несущих кабелей) и профессиональном монтаже применение волоконно-оптических линий обеспечивает ряд существенных преимуществ:

• Высокую пропускную способность за счёт высокой несущей частоты. Потенциальная возможность одного оптического волокна – несколько терабит информации за 1 секунду.
• Волоконно-оптический кабель отличается низким уровнем шума, что положительно сказывается на его пропускной способности и возможности передавать сигналы различной модуляции.
• Пожарная безопасность (пожароустойчивость). В отличие от других систем связи, ВОЛС может использоваться безо всяких ограничений на предприятиях повышенной опасности, в частности на нефтехимических производствах, благодаря отсутствию искрообразования.
• Благодаря малому затуханию светового сигнала оптические системы могут объединять рабочие участки на значительных расстояниях (более 100 км) без использования дополнительных ретрансляторов (усилителей).

• Информационная безопасность. Волоконно-оптическая связь обеспечивает надёжную защиту от несанкционированного доступа и перехвата конфиденциальной информации. Такая способность оптики объясняется отсутствием излучений в радиодиапазоне, а также высокой чувствительностью к колебаниям. В случае попыток прослушки встроенная система контроля может отключить канал и предупредить о подозреваемом взломе. Именно поэтому ВОЛС активно используют современные банки, научные центры, правоохранительные организации и прочие структуры, работающие с секретной информацией.
• Высокая надёжность и помехоустойчивость системы. Волокно, будучи диэлектрическим проводником, не чувствительно к электромагнитным излучениям, не боится окисления и влаги.
• Экономичность. Несмотря на то, что создание оптических систем в силу своей сложности дороже, чем традиционных СКС, в общем итоге их владелец получает реальную экономическую выгоду. Оптическое волокно, которое изготавливается из кварца, стоит примерно в 2 раза дешевле медного кабеля, дополнительно при строительстве обширных систем можно сэкономить на усилителях. Если при использовании медной пары ретрансляторы нужно ставить через каждые несколько километров, то в ВОЛС это расстояние составляет не менее 100 км. При этом скорость, надёжность и долговечность традиционных СКС значительно уступают оптике.

• Срок службы волоконно-оптических линий составляет полрядка четверти века. Через 25 лет непрерывного использования в несущей системе увеличивается затухание сигналов.
• Если сравнивать медный и оптический кабель, то при одной и той же пропускной способности второй будет весить примерно в 4 раза меньше, а его объём даже при использовании защитных оболочек будет меньше, чем у медного, в несколько раз.
• Перспективы. Использование волоконно-оптических линий связи позволяет легко наращивать вычислительные возможности локальных сетей благодаря установке более быстродействующего активного оборудования, причем без замены коммуникаций.

Область применения ВОЛС

Как уже было сказано выше, волоконно-оптические кабели (ВОК) используются для передачи сигналов вокруг (между) зданий и внутри объектов. При построении вешних коммуникационных магистралей предпочтение отдаётся оптическим кабелям, а внутри зданий (внутренние подсистемы) наравне с ними используется традиционная витая пара. Таким образом, различают ВОК для внешней (outdoor cables) и внутренней (indoor cables) прокладки.

К отдельному виду относятся соединительные кабели: внутри помещений они используются в качестве соединительных шнуров и коммуникаций горизонтальной разводки – для оснащения отдельных рабочих мест, а снаружи – для объединения зданий.

Монтаж волоконно-оптического кабеля осуществляется с помощью специальных инструментов и приборов.

Технологии соединения ВОЛС

Длина коммуникационных магистралей ВОЛС может достигать сотен километров (например, при постройке коммуникаций между городами), тогда как стандартная длина оптических волокон составляет несколько километров (в том числе потому, что работа со слишком большими длинами в некоторых случаях весьма неудобна). Таким образом, при построении трассы необходимо решить проблему сращивания отдельных световодов.

Различают два типа соединений: разъёмные и неразъёмные. В первом случае для соединения применяются оптические коннекторы (это связано с дополнительными финансовыми затратами, и, кроме того, при большом количестве промежуточных разъёмных соединений увеличиваются оптические потери).

Для неразъёмного соединения локальных участков (монтажа трасс) применяются механические соединители, клеевое сращивание и сваривание волокон. В последнем случае используют аппараты для сварки оптических волокон. Предпочтение тому или иному методу отдаётся с учётом назначения и условий применения оптики.

Наиболее распространённой является технология склеивания, для которой используется специальное оборудование и инструмент и которая включает несколько технологических операций.

В частности, перед соединением оптические кабели проходят предварительную подготовку: в местах будущих соединений удаляются защитное покрытие и лишнее волокно (подготовленный участок очищается от гидрофобного состава). Для надёжной фиксации световода в соединителе (коннекторе) используется эпоксидный клей, которым заполняется внутреннее пространство коннектора (он вводится в корпус разъёма с помощью шприца или дозатора). Для затвердевания и просушки клея применяется специальная печка, способная создать температуру 100 град. С.

После затвердевания клея излишки волокна удаляются, а наконечник коннектора шлифуется и полируется (качество скола имеет первостепенное значение). Для обеспечения высокой точности выполнение данных работ контролируется с помощью 200-кратного микроскопа. Полировка может осуществляться вручную или с помощью полированной машины.

Самое качественное соединение с минимальными потерями обеспечивает сваривание волокон. Этот метод используется при создании высокоскоростных ВОЛС. Во время сваривания происходит оплавление концов световода, для этого в качестве источника тепловой энергии могут использоваться газовая горелка, электрический заряд или лазерное излучение.

Каждый из методов имеет свои преимущества. Лазерная сварка благодаря отсутствию примесей позволяет получать самые чистые соединения. Для прочной сварки многомодовых волокон, как правило, используют газовые горелки. Наиболее распространенной является электрическая сварка, обеспечивающая высокую скорость и качество выполнения работ. Длительность плавления различных типов оптовых волокон отличается.

Для сварочных работ применяются специальный инструмент и дорогостоящее сварочное оборудование – автоматическое или полуавтоматическое. Современные сварочные аппараты позволяют контролировать качество сварки, а также проводить тестирование мест соединения на растяжение. Усовершенствованные модели оснащены программами, которые позволяют оптимизировать процесс сварки под конкретный тип оптоволокна.

После сращения место соединения защищается плотно насаживаемыми трубками, которые обеспечивают дополнительную механическую защиту.

Ещё один метод сращивания элементов оптоволокна в единую линию ВОЛС – механическое соединение. Этот способ обеспечивает меньшую чистоту соединения, чем сваривание, однако затухание сигнала в данном случае всё-таки меньше, чем при использовании оптических коннекторов.

Преимущество этого метода перед остальными состоит в том, что для проведения работ используются простые приспособления (например, монтажный столик), которые позволяют проводить работы в труднодоступных местах или внутри малогабаритных конструкций.

Механическое сращивание подразумевает использование специальных соединителей – так называемых сплайсов. Существует несколько разновидностей механических соединителей, которые представляют собой вытянутую конструкцию с каналом для входа и фиксации сращиваемых оптических волокон. Сама фиксация обеспечивается с помощью предусмотренных конструкцией защёлок. После соединения сплайсы дополнительно защищаются муфтами или коробами.

Механические соединители могут использоваться неоднократно. В частности, их применяют во время проведения ремонтных или восстановительных работ на линии.

ВОЛС: типы оптических волокон

Оптические волокна, используемые для построения ВОЛС, отличаются по материалу изготовления и по модовой структуре света. Что касается материала, различают полностью стеклянные волокна (со стеклянной сердцевиной и стеклянной оптической оболочкой), полностью пластиковые волокна (с пластиковой сердцевиной и оболочкой) и комбинированные модели (со стеклянной сердцевиной и с пластиковой оболочкой). Самую лучшую пропускную способность обеспечивают стеклянные волокна, более дешёвый пластиковый вариант используют в том случае, если требования к параметрам затухания и пропускной способности не критичны.

По типу путей, которые проходит свет в сердцевине волокна, различают одно- и многомодовые волокна (в первом случае распространяется один луч света, во втором – несколько: десятки, сотни и даже тысячи).

• Одномодовые волокна (SM) отличаются малым диаметром сердцевины, по которой может пройти только один пучок света.

• Многомодовые волокна (MM) отличаются большим диаметром сердцевины и могут быть со ступенчатым или градиентным профилем. В первом случае пучки света (моды) расходятся по различным траекториям и поэтому приходят к концу световода в различное время. При градиентном профиле временные задержки различных лучей практически полностью исчезают, и моды идут плавно благодаря изменению скорости распространения света по волнообразным спиралям.

 

Все современные ВОК (и одно-, и многомодовые), с помощью которых создаются линии передачи данных, имеют одинаковый внешний диаметр – 125 мкм. Толщина первичного защитного буферного покрытия составляет 250 мкм. Толщина вторичного буферного покрытия составляет 900 мкм (используется для защиты соединительных шнуров и внутренних кабелей). Оболочка многоволоконных кабелей для удобства работы окрашивается в различные цвета (для каждого волокна).

 

Диагностика волоконно-оптических линий связи

Основным инструментом для диагностики волоконно-оптических линий связи является оптический рефлектометр. Пример работы с таким прибором смотрите в следующем видео:

Посмотреть примеры оборудования и статьи по теме ВОЛС на fibertop.ru.

 

Примеры оборудования

 

Материал подготовлен
техническими специалистами компании “СвязКомплект”.

Волоконно-оптическая линия передачи — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 4 февраля 2018; проверки требуют 7 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 4 февраля 2018; проверки требуют 7 правок.

Волоко́нно-опти́ческая система переда́чи (ВОСП — официальный термин, определённый в ГОСТ Р 54417-2011^[1]), Волоко́нно-опти́ческая ли́ния свя́зи (ВОЛС — устоявшееся название) — волоконно-оптическая система, состоящая из пассивных и активных элементов, предназначенная для передачи информации в оптическом (как правило — ближнем инфракрасном) диапазоне^[2].

Активные компоненты[править | править код]

• Регенератор — устройство, осуществляющее восстановление формы оптического импульса, который, распространяясь по волокну, претерпевает искажения. Регенераторы могут быть как чисто оптическими, так и электрическими, которые преобразуют оптический сигнал в электрический, восстанавливают его, а затем снова преобразуют в оптический.
• Усилитель — устройство, усиливающее мощность сигнала. Усилители также могут быть оптическими и электрическими, осуществляющими оптико-электронное и электронно-оптическое преобразование сигнала.
• Лазер — источник монохромного когерентного оптического излучения. В системах с прямой модуляцией, которые являются наиболее распространёнными, лазер одновременно является и модулятором, непосредственно преобразующим электрический сигнал в оптический.
• Модулятор — устройство, модулирующее оптическую волну, несущую информацию по закону электрического сигнала. В большинстве систем эту функцию выполняет лазер, однако в системах с непрямой модуляцией для этого используются отдельные устройства.
• Фотоприёмник (Фотодиод) — устройство, осуществляющее оптоэлектронное преобразование сигнала.

Пассивные компоненты[править | править код]

• Волоконно-оптический кабель, светонесущими элементами которого являются оптические волокна. Наружная оболочка кабеля может быть изготовлена из различных материалов: поливинилхлорида, полиэтилена, полипропилена, тефлона и других материалов. Оптический кабель может иметь бронирование различного типа и специфические защитные слои (например, мелкие стеклянные иглы для защиты от грызунов).
• Оптическая муфта — устройство, используемое для соединения двух и более оптических кабелей.
• Оптический кросс — устройство, предназначенное для оконечивания оптического кабеля и подключения к нему активного оборудования.
• Мультиплексор/Демультиплексор — широкий класс устройств, предназначенных для объединения и разделения информационных каналов. Мультиплексоры и демультиплексоры могут работать как во временно́й, так и в частотной областях, могут быть электрическими и оптическими (для систем со спектральным уплотнением).

Волоконно-оптические линии обладают рядом преимуществ перед проводными (медными) и радиорелейными системами связи:

• Малое затухание сигнала (0,15 дБ/км в третьем окне прозрачности) позволяет передавать информацию на значительно большее расстояние без использования усилителей. Усилители в ВОЛП 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.
• Информационная безопасность — информация по оптическому волокну передаётся «из точки в точку» и подслушать или изменить её можно только путём физического вмешательства в линию передачи.
• Высокая защищённость от межволоконных влияний — уровень экранирования излучения более 100 дБ. Излучение в одном волокне совершенно не влияет на сигнал в соседнем волокне.
• Пожаро- и взрывобезопасность при изменении физических и химических параметров
• Малые габариты и масса

• Относительная хрупкость оптического волокна. При сильном изгибании кабеля возможна поломка волокон или их замутнение из-за возникновения микротрещин, поэтому при прокладке кабеля необходимо использовать рекомендации производителя оптического кабеля (где, в частности, нормируется минимально допустимый радиус изгиба).
• Сложность соединения в случае разрыва.
• Сложная технология изготовления, как самого волокна, так и компонентов ВОЛП.
• Сложность преобразования сигнала (в интерфейсном оборудовании).
• Относительная дороговизна оптического конечного оборудования. Однако, оборудование является дорогим в абсолютных цифрах. Соотношение цены и пропускной способности для ВОЛП лучше, чем для других систем.
• Замутнение волокна вследствие радиационного облучения (однако, существуют легированные волокна с высокой радиационной стойкостью^[3]).

Достоинства волоконно-оптических линий обусловило их широкое применение в телекоммуникационных сетях самых разных уровней — от межконтинентальных магистралей до корпоративных и домашних компьютерных сетей.

Укладка кабеля[править | править код]

Волоконно-оптический кабель

Оптический кабель для линий связи может быть уложен следующим образом:

• В кабельную канализацию или кабельный коллектор;
• Непосредственно в грунт — в предварительно подготовленную траншею или с использованием кабелеукладчика;
• Подвес кабеля — воздушная линия связи.

Для каждого случая изготавливаются специальные кабели, отличающиеся типом оболочки, брони, допустимым растягивающим усилием и другими параметрами.

Монтаж муфт и кроссов[править | править код]

Для сращивания оптических кабелей применяются оптические муфты, представляющие собой пластиковые контейнеры, внутри которых расположена сплайс-пластина, удерживающая оптические волокна.

Оптический кросс представляет собой устройство, посредством которого осуществляется соединение оптических волокон кабеля со стандартными разъёмами. Кросс выполняется в виде металлической (как правило) коробки, на внешней панели которой находятся оптические разъёмы, а внутри — сплайс-пластина. Соединение разъёмов кросса с волокнами кабеля осуществляется с помощью пигтейлов — коротких кусков оптического волокна с разъёмами. Разъём пигтейла с внутренней стороны кросса соединяется с внешним разъёмом кросса, а другой конец приваривается к волокну оптического кабеля.

Оптические кроссы могут изготавливаться для монтажа в стандартную 19-дюймовую стойку, монтажа на стену и в других исполнениях. Кроссы могут иметь возможность открываться без демонтажа или не иметь таковой.

Сварка оптических волокон осуществляется в полуавтоматическом режиме специальными сварочными аппаратами.

Взаимодействие ВОЛП с сильным электромагнитным излучением[править | править код]

Сильное электромагнитное излучение способно вносить межканальные помехи в системах HDWDM и приводить к увеличению количества ошибок. Данное явление характерно в системах телематики на железной дороге, где ВОЛП прокладывается на опорах контактной сети в непосредственной близости от контактного провода. Ошибки появляются в моменты переходных процессов, например, при коротком замыкании. Данное явление объясняется эффектами Керра и Фарадея.

• Панфилов И.П., Дырда В.Е. Теория электрической связи. — М.: Радио и связь, 1991. — 344 с.

Оптоволоконная связь - что это такое, и для чего она нужна?

Всем привет и сегодня речь у нас поёдет о не особо известных, но широко применяемых оптоволоконных связях. По-другому их можно ещё называть как ВОЛС или волоконно-оптические линии связи. Достаточно длинное название, поэтому в широких кругах чаще используется простое сокращение как «оптика» или «оптоволокно». На самом деле это не совсем одно и тоже, но обо всё по порядку.

ВОЛС — это специализированные линии связи, по которым передача информации идёт путём светового пучка в определённой кодировке. Эту технологию в первую очередь применяют для передачи данных в локальных и глобальных сетях на достаточно большое расстояние. Но её также используют и в военной промышленности, медицине и в других не сетевых сферах.

Принцип действия

И так мы уже разобрались, что такое ВОЛС, но каким же образом по ним передаётся информация. В подобных сетях используется оптоволокно. Оно состоит из центральной жили и имеет небольшой размер. Жила обычно сделана как вы, наверное, уже догадались из стекла. Именно по жиле и идёт передача данных пучком света.

Но тут сразу же встаёт вопрос – а как увеличить передачу на большее расстояние? Для этого используют второй слой стекла, который обволакивает центральную жилу и при передаче информации отражает свет. Ранее думали использовать в качестве отражения зеркала или подобие зеркальных поверхностей – но как оказалось, такой материал был бы очень дорогим.

Вы когда-нибудь бывали на море или озере в лучах заката. Помните, как свет от солнца под большим углом отражался от воды. Хотя как вы, наверное, знаете, вода прозрачная. Но при увеличении угла и плотности между двумя материалами – свет начинает отражаться от разных сред.

Именно эту технологию и используют в оптоволоконной связи. Сердечник и внешняя оболочка имеют разную плотность и структуру, из-за чего луч света, отражаясь, распространяется куда дальше. Для передачи и воспроизведения света используется полупроводниковый или диодный лазер.

Если окунуться в историю, то первыми трудами, который заложили основу «оптики» – было исследование Даниелем Колладоном и Жаком Бабинеттом. Они в первую очередь изучали возможности преломления света. Но если быть точнее, то прародителем стал Кларенс Хаснелл – он в первые применил свет для передачи изображения через специальные трубки.

Отличие от витой пары

Если окунуться в 2000-е годы, то возможно кто-то вспомнит, что тогда в России и других странах СНГ использовался только интернет по типу aDLS. Когда интернет пришёл в РФ, то страна была просто не готова к этому. По всей стране не было ничего подходящего, чтобы передавать информацию от компьютера к компьютеру.

Именно тогда пришла идея использовать старые телефонные провода. Напомню, что это обычные два проводка без оплётки и дополнительной защиты. В результате интернет всё же появился, но имел очень маленькую скорость. Также многие жаловались, на лаги, прерывания, постоянное отваливающийся интернет.

Все эти проблемы были связаны как раз со способом передачи информации. По двум проводкам без оплётки очень сложно было передавать данные – так как при передаче многие пакеты терялись или изменялись в результате помех от электромагнитных волн. На смену телефонным линиям пришла витая пара.

Витая пара — это скрученные пары проводов во одной внешней оплётке. Чаще всего используется именно витая пара с 4 парами (8 проводков). Данный вид коммуникации уже стал намного надёжнее телефонного кабеля. В качестве защиты от радиоволн придумали нехитрую штуку – а именно скручивание.

По одной паре передаётся одна и та же информация. При скручивании провод постоянно меняет своё положение. В результате первый проводок находится с внешней стороны и принимает весь удар окружающей среды. Второй провод прячется за него. Так передаваясь, информация по паре проводов в конце складывается. В результате также вычитается помехи.

Скорость при это выросла в несколько раз. Но была проблема быстрого затухания сигнала. Подобные провода могут бить до 100 метров, не дальше. А при увеличении скорости будет падать и диапазон действия.

Вот тут на смену пришла оптоволоконная связь. Скорость выросла ещё сильнее, но также увеличилось дальность отправки пакета. Если раньше приходилось каждые 100 метров устанавливать повторители, то при передаче с помощью «оптики» дальность стала больше на несколько километров.

Но что самое интересное – волоконная связь почти полностью защищена от электромагнитного воздействия. Также подобные провода почти неподвержены температурным скачкам и могут работать как в сильную жару, так и в дикий холод.

Частота передачи с помощью света выше поэтому минимальная скорость начинается от 1 Гбит в секунду. При передаче в витой паре при задействовании всех пар скорость будет 1 Гбит в секунду. Но при этом провод будет очень дорогим, так как для достижения такого результата нужно защитить каждый провод «экраном» от воздействия внешней среды.

К недостаткам ВОЛС можно отнести только сложность в монтаже и сварке. Для этого нужно специальное оборудования и знания. При «сварке» или по-другому соединении двух оптических кабелей – нужно добиться идеального соединения между центральными жилами и внешним стеклом. Иначе свет будет затухать именно на этом участке или коэффициент преломления будет не правильным.

Передача данных в сетях

Все происходит аналогично. Изначально отправительное устройство кодирует информацию в виде пакетов. Далее данные переводятся в тот формат, который можно передать с помощью света через ВОЛС. После этого информация отправляется по линиям связи. Почти моментально она доходит до приёмника. Ему же остаётся перевести данные в формат, понятный для компьютера, коммутатора, роутера или другого сетевого оборудования.

Сегодня оптоволоконные сети есть почти во всех городах. Подключение домов имеет непосредственно через «оптику». Кабель идёт к центральному коммутатору. Далее от него с помощью витой пары провода идут в каждый дом. Сейчас некоторые провайдеры начали подключать клиентов по оптоволокну. То есть вместо той же витой пары – используется «стекло».

Скорость на таких соединениях выше. При этом вырастает и качество связи и интернета. Из-за более высокой надёжности – значение отклика ниже и лагов меньше. Но тут нужно учитывать, что для подключения такого кабеля нужны специальные маршрутизаторы.

Оптоволоконная связь

Состоит оптоволокно из центрального проводника света (сердцевины) — стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла – оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В оптоволокне световой луч обычно формируется полупроводниковым или диодным лазером. В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника оптоволокно подразделяется на одномодовое и многомодовое.

Рынок оптоволоконной продукции в России

К началу 2009 года семейство технологий подключения с помощью оптоволокна заработало себе достаточно неплохую репутацию жизнеспособного, масштабируемого варианта прокладки кабельного широкополосного доступа к глобальной сети. Несмотря на мировой экономический кризис, операторы, по всей видимости, будут продолжать вкладывать средства в оптоволокно.
Основная статья: Рынок оптоволоконной продукции в России.

История

Волоконная оптика хоть и является повсеместно используемым и популярным средством обеспечения связи, сама технология проста и разработана достаточно давно. Эксперимент с переменой направления светового пучка путем преломления был продемонстрирован Даниелем Колладоном (Daniel Colladon) и Жаком Бабинеттом (Jacques Babinet) еще в 1840 году. Спустя несколько лет Джон Тиндалл (John Tyndall) использовал этот эксперимент на своих публичных лекциях в Лондоне, и уже в 1870 году выпустил труд, посвященный природе света. Практическое применение технологии нашлось лишь в ХХ веке. В 20-х годах прошлого столетия экспериментаторами Кларенсом Хаснеллом (Clarence Hasnell) и Джоном Бердом (John Berd) была продемонстрирована возможность передачи изображения через оптические трубки. Этот принцип использовался Генрихом Ламмом (Heinrich Lamm) для медицинского обследования пациентов. Только в 1952 году индийский физик Нариндер Сингх Капани (Narinder Singh Kapany) провел серию собственных экспериментов, которые и привели к изобретению оптоволокна. Фактически им был создан тот самый жгут из стеклянных нитей, причем оболочка и сердцевина были сделаны из волокон с разными показателями преломления. Оболочка фактически служила зеркалом, а сердцевина была более прозрачной – так удалось решить проблему быстрого рассеивания. Если ранее луч не доходил да конца оптической нити, и невозможно было использовать такое средство передачи на длительных расстояниях, то теперь проблема была решена. Нариндер Капани к 1956 году усовершенствовал технологию. Связка гибких стеклянных прутов передавала изображение практически без потерь и искажений.

Изобретение в 1970 году специалистами компании Corning оптоволокна, позволившего без ретрансляторов продублировать на то же расстояние систему передачи данных телефонного сигнала по медному проводу, принято считать переломным моментом в истории развития оптоволоконных технологий. Разработчикам удалось создать проводник, который способен сохранять не менее одного процента мощности оптического сигнала на расстоянии одного километра. По нынешним меркам это достаточно скромное достижение, а тогда, без малого 40 лет назад, — необходимое условие для того, чтобы развивать новый вид проводной связи.

Первоначально оптоволокно было многофазным, то есть могло передавать сразу сотни световых фаз. Причём повышенный диаметр сердцевины волокна позволял использовать недорогие оптические передатчики и коннекторы. Значительно позже стали применять волокно большей производительности, по которому можно было транслировать в оптической среде лишь одну фазу. С внедрением однофазного волокна целостность сигнала могла сохраняться на большем расстоянии, что способствовало передаче немалых объёмов информации.

Самым востребованным сегодня является однофазное волокно с нулевым смещением длины волны. Начиная с 1983 года оно занимает ведущее положение среди продуктов оптоволоконной индустрии, доказав свою работоспособность на десятках миллионов километров.

Преимущества оптоволоконного типа связи

• Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей. Это означает, что по оптоволоконной линии можно передавать информацию со скоростью порядка 1 Тбит/с;
• Очень малое затухание светового сигнала в волокне, что позволяет строить волоконно-оптические линии связи длиной до 100 км и более без регенерации сигналов;
• Устойчивость к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем, электрического оборудования (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.) и погодных условий;
• Защита от несанкционированного доступа. Информацию, передающуюся по волоконно-оптическим линиям связи, практически нельзя перехватить неразрушающим кабель способом;
• Электробезопасность. Являясь, по сути, диэлектриком, оптическое волокно повышает взрыво- и пожаробезопасность сети, что особенно актуально на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска;
• Долговечность ВОЛС — срок службы волоконно-оптических линий связи составляет не менее 25 лет.

Недостатки оптоволоконного типа связи

• Относительно высокая стоимость активных элементов линии, преобразующих электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы;
• Относительно высокая стоимость сварки оптического волокна. Для этого требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование. Как следствие, при обрыве оптического кабеля затраты на восстановление ВОЛС выше, чем при работе с медными кабелями.

Элементы волоконно-оптической линии

• Оптический приёмник

Оптические приёмники обнаруживают сигналы, передаваемые по волоконно-оптическому кабелю и преобразовывают его в электрические сигналы, которые затем усиливают и далее восстанавливают их форму, а также синхросигналы. В зависимости от скорости передачи и системной специфики устройства, поток данных может быть преобразован из последовательного вида в параллельный.

• Оптический передатчик

Оптический передатчик в волоконно-оптической системе преобразовывает электрическую последовательность данных, поставляемых компонентами системы, в оптический поток данных. Передатчик состоит из параллельно-последовательного преобразователя с синтезатором синхроимпульсов (который зависит от системной установки и скорости передачи информации в битах), драйвера и источника оптического сигнала. Для оптических систем передачи могут быть использованы различные оптические источники. Например, светоизлучающие диоды часто используются в дешёвых локальных сетях для связи на малое расстояние. Однако, широкая спектральная полоса пропускания и невозможность работы в длинах волны второй и третьей оптических окон, не позволяет использовать светодиод в системах телесвязи.

• Предусилитель

Усилитель преобразовывает асимметричный ток от фотодиодного датчика в асимметричное напряжение, которое усиливается и преобразуется в дифференциальный сигнал.

• Микросхема cинхронизации и восстановления данных

Эта микросхема должна восстанавливать синхросигналы от полученного потока данных и их тактирование. Схема фазовой автоподстройки частоты, необходимая для восстановления синхроимпульсов, также полностью интегрирована в микросхему синхронизации и не требует внешних контрольных синхроимпульсов.

• Блок преобразования последовательного кода в параллельный

• Параллельно-последовательный преобразователь

• Лазерный формирователь

Основной его задачей является подача тока смещения и модулирующего тока для прямого модулирования лазерного диода.

• Оптический кабель, состоящий из оптических волокон, находящихся под общей защитной оболочкой.

Одномодовое волокно

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. То есть под одномодовостью следует понимать характеристики волокна относительно конкретной частоты используемой волны. Распространение лишь одного луча позволяет избавиться от межмодовой дисперсии, в связи с чем одномодовые световоды на порядки производительнее. На данный момент применяется сердечник с внешним диаметром около 8 мкм. 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. Оптическое волокно используется в волоконно-оптических линиях связи, которые превосходят электронные средства связи тем, что позволяют без потерь с высокой скоростью транслировать цифровые данные на огромные расстояния. Оптоволоконные линии могут как образовывать новую сеть, так и служить для объединения уже существующих сетей — участков магистралей оптических волокон, объединенных физически на уровне световода, либо логически — на уровне протоколов передачи данных. Скорость передачи данных по ВОЛС может измеряться сотнями гигабит в секунду. Уже сейчас дорабатывается стандарт, позволяющий передавать данные со скоростью 100 Гбит/c, а стандарт 10 Гбит Ethernet используется в современных телекоммуникационных структурах уже несколько лет.

Многомодовое волокно

В многомодовом ОВ может распространяться одновременно большое число мод – лучей, введенных в световод под разными углами. Многомодовое ОВ обладает относительно большим диаметром сердцевины (стандартные значения 50 и 62,5 мкм) и, соответственно, большой числовой апертурой. Больший диаметр сердцевины многомодового волокна упрощает ввод оптического излучения в волокно, а более мягкие требования к допустимым отклонениям для многомодового волокна позволяют уменьшить стоимость оптических приемо-передатчиков. Таким образом, многомодовое волокно преобладает в локальных и домашних сетях небольшой протяженности.

Основным недостатком многомодового ОВ является наличие межмодовой дисперсии, возникающей из-за того, что разные моды проделывают в волокне разный оптический путь. Для уменьшения влияния этого явления было разработано многомодовое волокно с градиентным показателем преломления, благодаря чему моды в волокне распространяются по параболическим траекториям, и разность их оптических путей, а, следовательно, и межмодовая дисперсия существенно меньше. Однако насколько не были бы сбалансированы градиентные многомодовые волокна, их пропускная способность не сравнится с одномодовыми технологиями.

Волоконно-оптические приёмопередатчики

Чтобы передать данные через оптические каналы, сигналы должны быть преобразованы из электрического вида в оптический, переданы по линии связи и затем в приёмнике преобразованы обратно в электрический вид. Эти преобразования происходят в устройстве приёмопередатчика, который содержит электронные блоки наряду с оптическими компонентами.

Широко используемый в технике передач мультиплексор с разделением времени позволяет увеличить скорость передачи до 10 Гб/сек. Современные быстродействующие волоконно-оптические системы предлагают следующие стандарты скорости передач.

Стандарт SONET	Стандарт SDH	Скорость передачи
OC 1	—	51,84 Мб/сек
OC 3	STM 1	155,52 Мб/сек
OC 12	STM 4	622,08 Мб/сек
OC 48	STM 16	2,4883 Гб/сек
OC 192	STM 64	9,9533 Гб/сек

Новые методы мультиплексного разделения длины волны или спектральное уплотнение дают возможность увеличить плотность передачи данных. Для этого многочисленные мультиплексные потоки информации посылаются по одному оптоволоконному каналу с использованием передачи каждого потока на разных длинах волны. Электронные компоненты в WDM-приемнике и передатчике отличаются по сравнению с теми, которые используются в системе с временным разделением.

Применение линий оптоволоконной связи

Оптоволокно активно применяется для построения городских, региональных и федеральных сетей связи, а также для устройства соединительных линий между городскими АТС. Это связано с быстротой, надёжностью и высокой пропускной способностью волоконных сетей. Также посредством применения оптоволоконных каналов существуют кабельное телевидение, удалённое видеонаблюдение, видеоконференции и видеотрансляции, телеметрические и другие информационные системы. В перспективе в оптоволоконных сетях предполагается использовать преобразование речевых сигналов в оптические.

См. также

Оптоволоконная связь: Сертификация

Коаксиальная связь

Ссылки

Волоконно-оптические линии связи: принцип действия и возможности

Волоконно-оптическими называют линии, предназначенные для передачи информации в оптическом диапазоне. Согласно данным советского Информбюро, на конец 80-х темп роста применения волоконно-оптических линий составил 40%. Эксперты Союза предполагали полный отказ некоторых стран от медной жилы. Съезд постановил на 12-ю пятилетку 25% прирост объёма линий связи. Тринадцатая, также призванная развивать волоконную оптику, застала развал СССР, появились первые сотовые операторы. Кстати, прогноз экспертов относительно роста потребности в квалифицированных кадрах провалился…

Принцип действия

Каковы причины резкого роста популярности высокочастотных сигналов? Современные учебники упоминают снижение потребности в регенерации сигнала, стоимости, повышение ёмкости каналов. Советские инженеры вызнали, рассуждая иначе: медный кабель, броня, экран берут 50% мирового производства меди, 25% – свинца. Недостаточно известный факт стал главной причины оставления спонсорами Николы Теслы, проекта башни Ворденклифф (название дала фамилия мецената, пожертвовавшего землю). Известный сербский учёный возжелал передавать информацию, энергию беспроводным путём, напугав немало локальных хозяев медеплавильных заводов. 80 лет спустя картина изменилась кардинально: люди осознали необходимость сбережения цветных металлов.

Материалом изготовления волокна служит… стекло. Обычный силикат, сдобренный изрядной долей модифицирующих свойства полимеров. Советские учебники, помимо указанных причин популярности новой технологии, называют:

1. Малое затухание сигналов, явившееся причиной снижения потребности в регенерации.
2. Отсутствие искрения, следовательно, пожаробезопасность, нулевая взрывоопасность.
3. Невозможность короткого замыкания, пониженная потребность в обслуживании.
4. Нечувствительность к электромагнитным помехам.
5. Низкий вес, сравнительно малые габариты.

Первоначально оптоволоконные линии должны были объединить крупные магистрали: меж городами, пригородами, АТС. Эксперты СССР назвали кабельную революцию сродни появлению твердотельной электроники. Развитие технологии позволило построить сети, лишённые токов утечки, перекрёстных помех. Участок длиной сотню км лишён активных методов регенерации сигнала. Бухта одномодового кабеля обычно составляет 12 км, многомодового – 4 км. Последнюю милю чаще покрывают медью. Провайдеры привыкли предназначать оконечные участки индивидуальным пользователям. Отсутствуют высокие скорости, приёмопередатчики дёшевы, возможность подвести одновременно питание устройству, простота  использования линейных режимов.

Передатчик

Типичным формирователем луча выступают полупроводниковые светодиоды, включая твердотельные лазеры. Ширина спектра сигнала, излучаемого типичным p-n-переходом, составляет 30-60 нм. КПД первых твердотельных устройств едва достигал 1%. Основой связных светодиодов чаще выступает структура индий-галлий-мышьяк-фосфор. Излучая более низкую частоту (1,3 мкм), приборы обеспечивают значительное рассеивание спектра. Результирующая дисперсия сильно ограничивает битрейт (10-100 Мбит/с). Поэтому светодиоды пригодны для построения локальных сетевых ресурсов (дистанция 2-3 км).

Частотное деление с мультиплексированием осуществляется многочастотными диодами. Сегодня несовершенные полупроводниковые структуры активно вытесняются вертикальными излучающими лазерами, значительно улучшающими спектральные характеристики. повышающими скорость. Цена одного порядка. Технология вынужденного излучения приносит гораздо более высокие мощности (сотни мВт). Когерентное излучение обеспечивает КПД одномодовых линий 50%. Эффект хроматической дисперсии снижается, позволяя повысить битрейт.

Малое время рекомбинации зарядов позволяет легко модулировать излучение высокими частотами питающего тока. Помимо вертикальных применяют:

1. Лазеры с обратной связью.
2. Резонаторы Фабри-Перо.

Высокие битрейты дальних линий связи достигаются применением внешних модуляторов: электро-абсорбционные, интерферометры Маха – Цендера. Внешние системы устраняют необходимость применения линейной частотной модуляции напряжением питания. Обрезанный спектр дискретного сигнала передаётся дальше. Дополнительно разработаны другие методики кодирования несущей:

• Квадратурная фазовая манипуляция.
• Ортогональное мультиплексирование с частотным разделением.
• Амплитудная квадратурная модуляция.

Передатчик сформирован цифро-аналоговым преобразователем, драйверным усилителем, модулятором Маха-Цендера. Применение высоких форматов модуляции (выше 4 квадратур), битрейтов (выше 32 Гбод) снижает эффективность ввиду наличия паразитных эффектов. Линейные погрешности сформированы цифро-аналоговым преобразователем, неидеальностью системы синхронизации. Нелинейные искажения вызваны эффектом насыщения драйверного усилителя, модулятора. Меры противодействия существенно повышают скорость, позволяя использовать модуляции высоких квадратур.

Процедуру осуществляют цифровые сигнальные процессоры. Старые методики компенсировали лишь линейную составляющую. Беренджер выразил модулятор рядами Вина, ЦАП и усилитель смоделировал усечёнными, времянезависимыми рядами Вольтерры. Кхана предлагает использовать полиномиальную модель передатчика вдобавок. Каждый раз коэффициенты рядов находят, используя архитектуру непрямого изучения. Дутель записал множество распространённых вариантов. Фазная перекрёстная корреляция и квадратурные поля имитируют несовершенство систем синхронизации. Аналогично компенсируются нелинейные эффекты.

Приёмники

Фотодетектор совершает обратное преобразование свет – электричество. Львиная доля твёрдотельных приёмников использует структуру индий-галлий-мышьяк. Иногда встречаются pin-фотодиоды, лавинные. Структуры металл-полупроводник-металл идеально подходят для встраивания регенераторов, коротковолновых мультиплексоров. Оптикоэлектрические конвертеры часто дополняют трансимпедансными усилителями, ограничителями, производящими цифровой сигнал. Затем практикуют восстановление синхроимпульсов с фазовой автоподстройкой частоты.

Передача света стеклом: история

Явление рефракции, делающее возможной тропосферную связь, нелюбимо учениками. Сложные формулы, неинтересные примеры убивают любовь студента к знаниям. Идею световода родили далёкие 1840-е годы: Дэниэл Колладон, Жак Бабинэ (Париж) пытались приукрасить собственные лекции заманчивыми, наглядными экспериментами. Преподаватели средневековой Европы плохо зарабатывали, поэтому изрядный приток студентов, несущих деньги, выглядел желанной перспективой. Лекторы заманивали публику любыми способами. Некий Джон Тиндал воспользовался идеей 12 лет спустя, гораздо позже выпустив книгу (1870), рассматривающую законы оптики:

• Свет проходит границу раздела воздух-вода, наблюдается рефракция луча относительно перпендикуляра. Если угол касания луча к ортогональной линии превышает 48 градусов, фотоны перестают покидать жидкость. Энергия полностью отражается назад. Предел назовём лимитирующим углом среды. Водный равен 48 градусов 27 минут, у силикатного стекла – 38 градусов 41 минута, алмаза – 23 градуса 42 минуты.

Зарождение XIX столетия принесло линии Петербург – Варшава световой телеграф протяжённостью 1200 км. Регенерация операторами послания проводилась каждые 40 км. Сообщение шло несколько часов, мешали погода, видимость. Появление радиосвязи вытеснило старые методики. Первые оптические линии датированы концом XIX века. Новинка понравилась… медикам! Гнутое стеклянное волокно позволяло освещать любые полости человеческого тела. Историки предлагают следующую временную шкалу развития событий:

1. 1854 – Джон Тиндалл демонстрирует Королевскому обществу (Великобритания) возможность изгибания траектории распространения света водным потоком.
2. 1880 – Александр Грэхэм Белл изобретает Фотофон, передающий голос посредством луча. Изобретатель ловил солнечного зайчика, заставлял зеркало вибрировать в такт звучанию речи. Приёмный детектор декодировал послание, динамик передавал заложенное сообщение. Пасмурные дни заставили Белла забросить исследования, занявшись более практическими делами – наживанием прибыли.
3. Параллельно Вильям Вилер изобрёл систему световых труб, снабжённых отражающим чулком. Каналы разносили свет дуговой лампы всему дому.
4. 1888 – Медицинская бригада Рота и Ройса (Вена) придумала освещать гнутыми стеклянными стержнями полости человеческого тела.
5. 1895 – французский инженер, Генри Сэнт-Рене, создал группу витиевато закруглённых кремниевых волосков, осуществляя проект телевизионного экрана.
6. 1898 – американец Дэвид Смит патентует гнутый стеклянный стержень для использования хирургами.

Идею Генри Сэнт-Рене продолжили поселенцы Нового света (1920-е), задумавшие улучшить телевидение. Кларенс Ханселл, Джон Логи Бэйрд стали пионерами. Десять лет спустя (1930) студент-медик Хайнрих Ламм доказал возможность передачи стеклянными направляющими изображения. Ищущий знаний задумал осмотреть внутренности тела. Качество изображения хромало, попытка получить Британский патент провалилась.

Рождение волокна

Независимо голландский учёный Абрахам ван Хил, британец Харольд Хопкинс, Нариндер Сингх Капани изобрели (1954) волокно. Заслуга первого в идее покрыть центральную жилу прозрачной оболочкой, имевшей низкий коэффициент преломления (близкий к воздуху). Защита от царапин поверхности сильно улучшила качество передачи (современники изобретателей видели главное препятствие использования волоконных линий в больших потерях). Британцы тоже внесли серьёзный вклад, собрав пучок волокон численностью 10.000 штук, передали изображение на дистанцию 75 см. Заметка «Гибкий фиброскоп, использующий статическое сканирование» украсила журнал Nature (1954).

Это интересно! Нариндер Сингх Капани ввёл термин фиброволокно заметкой в журнале Американская наука (1960).

1956 год принёс миру новый гибкий гастроскоп, авторы Базиль Хиршовиц, Вильбур Петерс, Лоуренс Кертисс (Университет Мичиган). Особенностью новики являлась стеклянная оболочка волокон. Элиас Снитцер (1961) обнародовал идею создания одномодового волокна. Столь тонкого, что внутри умещалось лишь одно пятнышко интерференционной картины. Идея помогла медикам осмотреть внутренности (живого) человека. Потери составили 1 дБ/м. Потребности коммуникаций простирались гораздо дальше. Требовалось достичь порога 10-20 дБ/км.

1964 год считают переломным: жизненно важную спецификацию опубликовал доктор Као, введя теоретические основы дальней связи. Документ активно использовал приведённую выше цифру. Учёный доказал: снизить потери поможет стекло высшей степени очистки. Германский физик (1965) Манфред Бёрнер (Телефункен Ресёрч Лабс, Ульм) представил первую работоспособную телекоммуникационную линию. NASA немедленно передало вниз лунные снимки, используя новинки (разработки были секретными). Несколько лет спустя (1970) трое работников Корнинг Глэс (см. начало топика) подали патент, реализующий технологический цикл выплавки оксида кремния. Три года бюро оценивало текст. Новая жила увеличила пропускную способность канала в 65000 раз относительно медного кабеля. Команда доктора Као немедля сделала попытку покрыть значительное расстояние.

Это интересно! 45 лет спустя (2009) Као вручили Нобелевскую премию по физике.

Военные компьютеры (1975) противовоздушной обороны США (секция NORAD, Шайенские горы) получили новые коммуникации. Оптический интернет появился очень давно, раньше персональных компьютеров! Двумя годами позже тестовые испытания телефонной линии длиной 1,5 мили (пригород Чикаго) успешно передали 672 голосовых канала. Стеклодувы трудились неустанно: начало 80-х привнесло появление волокна с затуханием 4 дБ/км. Оксид кремния заменили другим полупроводником – германием.

Скорость производства высококачественного кабеля технологической линией составила 2 м/с. Хими Томас Менса разработал технологию, повысившую двадцатикратно указанный лимит. Новинка, наконец, стала дешевле медного кабеля. Дальнейшее изложено выше: последовал всплеск внедрения новой технологии. Шаг расстановки репитеров составил 70-150 км. Волоконный усилитель, легированный ионами Эрбия, резко снизил стоимость возведения линий. Времена тринадцатой пятилетки принесли планете 25 миллионов километров волоконно-оптических сетей.

Новый толчок развитию дало изобретение фотонных кристаллов. Первые коммерческие модели принёс 2000 год. Периодичность структур позволила значительно повысить мощность, конструкция волокна гибко подстраивалась, следуя частоте. В 2012 году Телеграфная и телефонная компания Ниппона достигла скорости 1 петабит/с на дальности 50 км одним-единственным волокном.

Военная промышленность

Достоверно известна история шествия военной промышленности США, опубликованной в Монмаут Месседж. В 1958 году менеджер по кабельному хозяйству форта Монмаут (Сигнал Корпс Лабс армии Соединённых Штатов) рапортовал о вреде молний, осадков. Чиновник потревожил исследователя Сэма Ди Вита, попросив найти замену зеленеющей меди. Ответ содержал предложение попробовать стекло, фибер, световые сигналы. Однако инженеры дяди Сэма того времени оказались бессильны решить задачку.

Жарким сентябрём 1959 Ди Вита спросил лейтенанта второго ранга Ричарда Штурцебехера, известна ли тому формула стекла, способного передавать оптический сигнал. Ответ содержал сведения, касающиеся оксида кремния – пробы на базе Университета Альфреда. Измеряя коэффициент рефракции материалов микроскопом, Ричард нажил головную боль. 60-70% стеклянная пудра свободно пропускала лучезарный свет, раздражая глаза. Держа в уме необходимость получения чистейшего стекла, Штурцебехер изучал современные методики производства при помощи хлорида кремния IV. Ди Вита нашёл материал пригодным, решив предоставить правительству переговоры со стеклодувами компании Корнинг.

Чиновник отлично знал рабочих, однако решил предать дело огласке, дабы завод получил государственный контракт. Между 1961 и 1962 идея использования чистого оксида кремния была передана исследовательским лабораториям. Федеральные ассигнования составили порядка 1 млн. долларов (промежуток 1963-1970). Программа окончилась (1985) развитием многомиллиардной индустрии производства оптоволоконных кабелей, начавших стремительно замещать медные. Ди Вита остался работать, консультируя промышленность, прожив 97 лет (год смерти – 2010).

Разновидности кабелей

Кабель формируют:

1. Ядро.
2. Оболочка.
3. Защитный кожух.

Волокно реализует полное отражение сигнала. Материалом первых двух компонентов традиционно выступает стекло. Иногда находят дешёвую замену – полимер. Оптические кабели объединяют сплавлением. Выравнивание ядра потребует сноровки. Мультимодовый кабель толщиной свыше 50 мкм паять проще. Две глобальные разновидности различаются количеством мод:

• Мультимодовый снабжён толстым ядром (свыше 50 мкм).
• Одномодовый значительно тоньше (менее 10 мкм).

Парадокс: кабель меньших размеров обеспечивает дальнюю связь. Стоимость четырёхжильного трансатлантического составляет 300 млн. долларов. Сердцевину покрывают светоустойчивым полимером. Журнал Новый учёный (2013) обнародовал опыты научной группы Университета Саутгемптона, покрывших дальность 310 метров… волноводом! Пассивный диэлектрический элемент показал скорость 77,3 Тбит/с. Стены полой трубки образованы фотонным кристаллом. Информационный поток двигался со скорость 99,7% световой.

Фотонно-кристаллический фибер

Новая разновидность кабелей образована набором трубок, конфигурация напоминает скруглённые пчелиные соты. Фотонные кристаллы, напоминают природный перламутр, образуя периодические конформации, отличающиеся коэффициентом преломления. Некоторые длины волн внутри таких трубок затухают. Кабель демонстрирует полосу пропускания, луч претерпевая брэгговскую рефракцию отражается. Благодаря наличию запрещённых зон когерентный сигнал двигается вдоль световода.

Первая конструкция Йе и Йарива (1978) представлена двумя и более концентрическими слоями разных материалов. Конструкции постоянно дополняются свежими видами. Рассел (1996, автор термина фотонно-кристаллический фибер) представил сотовый набор волокон, двумя годами позже догадались сердцевину заменить пустотой. Достигнутые затухания впечатляют:

1. Полые – 1,2 дБ/км.
2. Сплошные – 0,37 дБ/км.

Технология производства сродни традиционной. Сравнительно толстую заготовку постепенно вытягивают. Выходит волос длиной в километры. Материалы проходят стадию исследований.

Частоты

Скорость, дальность передачи ограничены эффектами дисперсии, затуханием. Исследователи нашли длины волн, минимизирующие недостатки. Образовано несколько окон, используемых телекоммуникациями:

1. О – 1260..1360 нм.
2. Е – 1360..1460 нм.
3. S – 1460..1530 нм.
4. С – 1530..1565 нм.
5. L – 1565..1625 нм.
6. U – 1625..1675 нм.

Окна идут непрерывно, существующие системы связи могут состоять одновременно из двух-трёх. Исторически первый промежуток (800-900 нм) сегодня убран, поскольку потери оказались непомерно высокими. Окна О, Е характеризуются нулевой дисперсией. Чаще применяют S, C, демонстрирующие преимущества минимального затухания (максимальная дальность передачи).

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) - Строим сеть предприятия.

Оптоволоконный (он же волоконно-оптический) кабель – это принципиально иной тип кабеля по сравнению с рассмотренными двумя типами электрического или медного кабеля. Информация по нему передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент – это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.

Рис. 1. Структура оптоволоконного кабеля

Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля (рис. 1.). Только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром около 1 – 10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции – стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. В данном случае речь идет о режиме так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется. Однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей).

Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как при этом нарушается целостность кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 1012 Гц, то есть 1000 ГГц, что несравнимо выше, чем у электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля.

Типичная величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, используемых в локальных сетях, составляет от 5 до 20 дБ/км, что примерно соответствует показателям электрических кабелей на низких частотах. Но в случае оптоволоконного кабеля при росте частоты передаваемого сигнала затухание увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы, у него просто нет конкурентов.

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) позволяют передавать аналоговые и цифровые сигналы на дальние расстояния, в некоторых случаях – на десятки километров. Они также используются на малых, более «управляемых» расстояниях, например, внутри зданий. Примеры решений по построению СКС (структурированных кабельных систем) для построения сети предприятия находятся здесь: Строим сеть предприятия: Схема построения СКС - Оптика по горизонтали. , Строим сеть предприятия: Схема построения СКС - Централизованная оптическая кабельная система. , Строим сеть предприятия: Схема построения СКС - Зоновая оптическая кабельная система.

Преимущества оптики хорошо известны: это иммунитет к шумам и помехам, малый диаметр кабелей при огромной пропускной способности, устойчивость к взлому и перехвату информации, отсутствие нужды в ретрансляторах и усилителях и т.д.
Когда-то были проблемы с оконечной заделкой оптических линий, но сегодня они в основном решены, так что работать с этой технологией стало гораздо проще. Есть, однако, ряд вопросов, которые надо рассматривать исключительно в контексте областей применения. Как и в случае с передачей по «меди» или радиоканалу, качество волоконно-оптической связи зависит от того, насколько хорошо согласованы выходной сигнал передатчика и входной каскад приемника. Некорректная спецификация мощности сигнала приводит к увеличению коэффициента битовых ошибок при передаче; мощность слишком большая — и усилитель приемника «перенасыщается», слишком малая — и возникает проблема с шумами, поскольку они начинают мешает полезному сигналу. Вот два наиболее критичных параметра ВОЛС: выходная мощность передатчика и потери при передаче — затухания в оптическом кабеле, который соединяет передатчик и приемник.

Существуют два различных типа оптоволоконного кабеля:

* многомодовый или мультимодовый кабель, более дешевый, но менее качественный;
* одномодовый кабель, более дорогой, но имеет лучшие характеристики по сравнению с первым.

Тип кабеля определят количество режимов распространения или «путей», по которым свет проходит внутри кабеля.

 

Рис.2 Различия в физических параметрах одномодового и многомодовых оптических кабелей.

Многомодовый кабель, наиболее часто используемый в небольших промышленных, бытовых и коммерческих проектах, имеет самый высокий коэффициент ослабления и работает только на коротких расстояниях. Более старый тип кабеля, 62,5/125 (эти цифры характеризуют внутренний/ внешний диаметры световода в мкм), часто называемый «OM1», имеет ограниченную пропускную способность и используется для передачи данных со скоростью до 200 Мбит/с.
Недавно стали применять кабели 50/125 «OM2» и «OM3», предлагающие скорости 1Гбит/с на расстояниях до 500 м и 10 Гбит/с на до 300 м.

Одномодовый кабель используется в высокоскоростных соединениях (выше 10 Гбит/с) или на длинных дистанциях (до 30 км). Для передачи аудио и видео наиболее целесообразным является применение кабелей «OM2».
Вице-президент европейского отделения компании Extron по маркетингу Райнер Штайль отмечает, что оптоволоконные линии стали более доступными, их чаще применяют для организации сети внутри зданий — это ведет к росту применения АВ-систем на основе оптических технологий. Штайль говорит: «В плане интеграции ВОЛС уже сегодня обладают несколькими ключевыми преимуществами.
По сравнению с аналогичной медно-кабельной инфраструктурой оптика позволяет использовать одновременно и аналоговые, и цифровые видеосигналы, обеспечивая единое системное решение для работы с существующими, а также с перспективными видеоформатами.
Кроме того, т.к. оптика предлагает очень высокую пропускную способность, тот же кабель будет работать с большими разрешениями и в будущем. ВОЛС легко адаптируется к новым стандартам и форматам, появляющимся в процессе развития АВ-технологий».

Рис.3.Распространение светового луча в одномодовом и многомодовом оптических волноводах.

Другим признанным экспертом в этой области является Джим Хейз, президент Американской Волоконно-Оптической Ассоциации, созданной в 1995 году, способствующей росту профессионализма в области волоконной оптики и, между прочим, насчитывающей в своих рядах более 27000 квалифицированных специалистов по установке и внедрению оптических систем. Он говорит о росте популярности ВОЛС следующее: «Выгода – в быстроте инсталляции и дешевизне комплектующих. Растет применение оптики в сфере телекоммуникаций, особенно в системах Fiber-To-The-Home* (FTTH) с поддержкой беспроводного доступа, а также в сфере безопасности (камеры наблюдения).
Похоже, что сегмент FTTH растет быстрее других рынков во всех развитых странах. Здесь, в США, на оптике построены сети управления дорожным движением, муниципальных служб (администрация, пожарные, полиция), учебных заведений (школы, библиотеки).
Растет количество пользователей Интернет — и у нас быстро строятся новые центры обработки данных (ЦОД), для взаимосвязи которых используется оптоволокно. Ведь при передаче сигналов со скоростью 10 Гбит/с затраты аналогичны «медным» линиям, но оптика потребляет значительно меньше энергии. Долгие годы приверженцы волокна и меди «бились» друг с другом за приоритет в корпоративных сетях. Зря потраченное время!
Сегодня связь по WiFi стала настолько хорошей, что пользователи нетбуков, ноутбуков и iPhon’ов отдали предпочтение мобильности. И теперь в корпоративных локальных сетях оптику используют для коммутации с точками беспроводного доступа».
Действительно, областей применения оптики становится все больше, в основном, из-за указанных выше преимуществ перед медью.
Оптика проникла во все ключевые направления — системы наблюдения, диспетчерские и ситуационные центры, на военные и медицинские объекты, в зоны с экстремальными условиями эксплуатации. Снижение стоимости оборудования позволило использовать оптические технологии в традиционно «медных» областях – в конференц-залах и на стадионах, в розничной торговле и на транспортных узлах.
Райнер Штайль из Extron комментирует: «Волоконно-оптическое оборудование широко используется в медицинских учреждениях, например, для коммутации локальных видеосигналов в операционных. Оптические сигналы не имеют никакого отношения к электричеству, что идеально в плане обеспечения безопасности пациентов. ВОЛС прекрасно подходят и для медицинских учебных заведений, где необходимо распределять видеосигналы из нескольких операционных в несколько аудиторий, чтобы студенты могли наблюдать за ходом операции «вживую».
Волоконно-оптическим технологиям отдают предпочтение и военные, так как передаваемые данные трудно или даже невозможно «считать» извне.
ВОЛС обеспечивают высокую степень защиты конфиденциальной информации, позволяют передавать несжатые данные типа графики с высоким разрешением и видео с точностью до пикселя.
Возможность передачи на дальние расстояния делает оптику идеально подходящей для систем Digital Signage в крупных торговых центрах, где длина кабельных линий может достигать нескольких километров. Если для витой пары расстояние ограничено 450 метрами, то для оптики и 30 км не предел».
Что касается использования оптоволокна в АудиоВизуальной индустрии, то прогрессу здесь способствуют два основных фактора. Во-первых, это интенсивное развитие IP-основанных систем передачи аудио- и видео, которые опираются на сети с высокой пропускной способностью — для них ВОЛС подходят идеально.
Во-вторых, повсеместное требование передавать видео HD и компьютерные изображения HR на расстояния большие, чем 15 метров — а это предел для передачи HDMI по меди.
Есть случаи, когда видеосигнал просто невозможно «раздать» по медному кабелю и необходимо применить оптоволокно — такие ситуации стимулируют разработку новой продукции. Бьёнг Хо Пак, вице-президент по маркетингу компании Opticis, поясняет: «Для полосы данных UXGA, 60 Гц, и 24-битового цвета требуется общая скорость 5 Гбит/с, или 1,65 Гбит/с на каждый цветовой канал. HDTV имеет несколько меньшую пропускную способность. Производители «подталкивают» рынок, но и рынок одновременно «подталкивает» игроков использовать изображения более высокого качества. Есть отдельные области применения, где требуются дисплеи, способные отображать 3-5 млн пикселей или 30– 36-битовую глубину цвета. В свою очередь, для этого потребуется скорость передачи около 10 Гбит/с».
Сегодня многие производители коммутационного оборудования предлагают версии видео-удлинителей (экстендеров) для работы с оптическими линиями. ATEN International, TRENDnet, Rextron, Gefen и другие выпускают различные модели для целого ряда видео- и компьютерных форматов.
При этом служебные данные — HDCP** и EDID*** — могут передаваться с помощью дополнительной оптический линии, а в некоторых случаях — по отдельному медному кабелю, связывающему передатчик и приемник.
В результате того, что формат HD стал стандартом для рынка вещания, на других рынках — инсталляционном, например — тоже стали применять защиту от несанкционированного копирования контента в форматах DVI и HDMI, — говорит Джим Джачетта, старший вице-президент по разработкам компании Multidyne. — С помощью выпускаемого нашей компании устройства HDMI-ONE пользователи могут отправить видеосигнал с DVD- или Blu-Ray плеера на монитор или дисплей, расположенный на расстоянии до 1000 метров. Ранее ни одно устройство, работающее с многомодовыми линиями, не поддерживало систему защиты от копирования HDCP».

Те, кто работает с ВОЛС, не должны забывать и о специфических инсталляционных проблемах – концевой заделке кабелей. В этом плане многие производители выпускают как собственно разъемы, так и монтажные наборы, включающие в себя специализированный инструмент, а также химические препараты.
Между тем, любой элемент ВОЛС, будь то удлинитель, разъем или место состыковки кабелей, должен с помощью оптического измерителя быть проверен на предмет ослабления сигнала – это необходимо для оценки общего бюджета мощности (power budget, основной расчётный показатель ВОЛС). Естественно, собрать разъемы волоконных кабелей можно и вручную, «на коленке», но действительно высокое качество и надежность гарантируется только при использовании готовых, произведенных на заводе «разделанных» кабелей, подвергнутых тщательному многоступенчатому тестированию.
Несмотря на огромную пропускную способность ВОЛС, у многих всё еще остаётся желание «впихнуть» в один кабель побольше информации.
Здесь развитие идет в двух направлениях — спектрального уплотнения (optical WDM), когда в один световод направляется несколько световых лучей с разными длинами волн, а другое – сериализация / десериализация данных (англ. SerDes), когда параллельный код преобразуется в последовательный и обратно.
При этом оборудование для спектрального уплотнения стоит дорого из-за сложного проектирования и применения миниатюрных оптических компонентов, но не увеличивает скорость передачи. Применяемые в оборудовании SerDes высокоскоростные логические устройства также увеличивают расходную часть проекта.
Кроме того, сегодня выпускается оборудование, позволяющее мультиплексировать и демультиплексировать из общего светового потока управляющие данные – USB или RS232/485. При этом световые потоки можно отправлять по одному кабелю в противоположных направлениях, хотя цена выполняющих эти «трюки» приборов обычно превышает стоимость дополнительного световода для возврата данных.

Оптика открывает широкие возможности там, где требуются высокоскоростные коммуникации с высокой пропускной способностью. Это хорошо себя зарекомендовавшая, понятная и удобная технология. В АудиоВизуальной области она открывает новые перспективы и предоставляет решения, недоступные с помощью других методов. По крайней мере, без значительных рабочих усилий и денежных затрат.

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

Кабель внутренней прокладки :
При монтаже ВОЛС в закрытых помещениях обычно применяется Волоконно-оптический кабель с плотным буфером (для защиты от грызунов). Используется для построения СКС в качестве магистрального или горизонтального кабеля. Поддерживает передачу данных на короткие и средние расстояния. Идеально подходит для горизонтального каблирования.

Кабель внешней прокладки :
Волоконно-оптический кабель с плотным буфером, бронированный стальной лентой, влагостойкий. Применяется для внешней прокладки при создании подсистемы внешних магистралей и связывают между собой отдельные здания. Может прокладываться в кабельные каналы. Подходит для непосредственной укладки в грунт.

Внешний самонесущий оптоволоконный кабель :
Волоконно-оптический кабель самонесущий, со стальным тросиком. Применяется для внешннй прокладки на большие расстояния в рамках телефонных сетей. Поддерживает передачу сигналов кабельного телевидения, а также передачу данных. Подходит для прокладки в кабельной канализации и воздушной прокладки.

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 ВОЛС. 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.

Однако оптоволоконный кабель имеет и некоторые недостатки:

• Самый главный из них – высокая сложность монтажа (при установке разъемов необходима микронная точность, от точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъеме). Для установки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. В любом случае для этого нужна высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому чаще всего оптоволоконный кабель продается в виде заранее нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разъемы нужного типа. Следует помнить, что некачественная установка разъема резко снижает допустимую длину кабеля, определяемую затуханием.
• Также надо помнить, что использование оптоволоконного кабеля требует специальных оптических приемников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно, что порой существенно увеличивает стоимость сети в целом.
• Оптоволоконные кабели допускают разветвление сигналов (для этого производятся специальные пассивные разветвители (couplers) на 2—8 каналов), но, как правило, их используют для передачи данных только в одном направлении между одним передатчиком и одним приемником. Ведь любое разветвление неизбежно сильно ослабляет световой сигнал, и если разветвлений будет много, то свет может просто не дойти до конца сети. Кроме того, в разветвителе есть и внутренние потери, так что суммарная мощность сигнала на выходе меньше входной мощности.
• Оптоволоконный кабель менее прочен и гибок, чем электрический. Типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10 – 20 см, при меньших радиусах изгиба центральное волокно может сломаться. Плохо переносит кабель и механическое растяжение, а также раздавливающие воздействия.
• Чувствителен оптоволоконный кабель и к ионизирующим излучениям, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна, то есть увеличивается затухание сигнала. Резкие перепады температуры также негативно сказываются на нем, стекловолокно может треснуть.
• Применяют оптоволоконный кабель только в сетях с топологией звезда и кольцо. Никаких проблем согласования и заземления в данном случае не существует. Кабель обеспечивает идеальную гальваническую развязку компьютеров сети. В будущем этот тип кабеля, вероятно, вытеснит электрические кабели или, во всяком случае, сильно потеснит их.

Перспективы развития ВОЛС:

• В связи с ростом требований, предъявляемых новыми сетевыми приложениями, становится все более актуальным применение оптоволоконных технологий в структурированных кабельных системах. Каковы же преимущества и особенности использования оптических технологий в горизонтальной кабельной подсистеме, а также на рабочих местах пользователей?
• Проанализировав изменения сетевых технологий за последние 5 лет, легко заметить, что медные стандарты СКС отставали от гонки "сетевых вооружений". Не успев инсталлировать СКС третьей категории, предприятиям приходилось переходить на пятую, сейчас уже и на шестую, а не за горами использование седьмой категории.
• Очевидно, развитие сетевых технологий не остановится на достигнутом: гигабит на рабочее место вскоре станет стандартом де-факто, а впоследствии и де-юре, и для ЛВС (локальных вычислительных сетей) крупного или даже среднего предприятия 10 Гбит/с Etnernet не будет редкостью.
• Поэтому очень важно использовать такую кабельную систему, которая позволила бы легко справляться с возрастающими скоростями сетевых приложений на протяжении как минимум 10 лет - именно такой минимальный срок службы СКС определен международными стандартами.
• Более того, при изменении стандартов на протоколы ЛВС необходимо избегать повторной прокладки новых кабелей, которая раньше была причиной значительных расходов на эксплуатацию СКС и просто не допустима в будущем.
• Только одна среда передачи в СКС удовлетворяет данным требованиям - оптика. Оптические кабели используются в телекоммуникационных сетях уже более 25 лет, в последнее время они также находят широкое применение в кабельном телевидении и ЛВС.
• В ЛВС они в основном используются для построения магистральных кабельных каналов между зданиями и в самих зданиях, обеспечивая при этом высокую скорость передачи данных между сегментами этих сетей. Однако развитие современных сетевых технологий актуализирует использование оптоволокна как основной среды для подключения непосредственно пользователей.

Новые стандарты и технологии ВОЛС:

За последние годы на рынке появилось несколько технологий и продуктов, позволяющих значительно облегчить и удешевить использование оптоволокна в горизонтальной кабельной системе и подключение его к рабочим местам пользователей.

Среди этих новых решений прежде всего хочется выделить оптические разъемы с малым форм-фактором - SFFC (small-form-factor connectors), плоскостные лазерные диоды с вертикальным резонатором - VCSEL (vertical cavity surface-emitting lasers) и оптические многомодовые волокна нового поколения.

Следует отметить, что недавно утвержденный тип многомодового оптического волокна ОМ-3 обладает полосой пропускания более 2000 МГц/км на длине лазерного излучения 850 нм. Данный тип волокна обеспечивает последовательную передачу потоков данных протокола 10 Gigabit Ethernet на расстояние 300 м. Использование новых типов многомодового оптоволокна и 850-нанометровых VCSEL-лазеров обеспечивает наименьшую стоимость реализации 10 Gigabit Ethernet-решений.

Разработка новых стандартов оптоволоконных разъемов позволила сделать оптоволоконные системы серьезным конкурентом медным решениям. Традиционно оптоволоконные системы требовали в два раза большего числа разъемов и коммутационных шнуров, чем медные - в телекоммуникационных пунктах требовалась гораздо большая площадь для размещения оптического оборудования, как пассивного, так и активного.

Оптические разъемы с малым форм-фактором, представленные недавно целым рядом производителей, обеспечивают в два раза большую плотность портов, чем предыдущие решения, поскольку каждый такой разъем содержит в себе сразу два оптических волокна, а не одно, как ранее.

При этом уменьшаются размеры и оптических пассивных элементов - кроссов и т.д., и активного сетевого оборудования, что позволяет снизить в четыре раза расходы на установку (по сравнению с традиционными оптическими решениями).

Следует отметить, что американские органы стандартизации EIA и TIA в 1998 году приняли решение не регламентировать использование какого-либо определенного типа оптических разъемов с малым форм-фактором, что привело к появлению на рынке сразу шести типов конкурирующих решений в данной области: MT-RJ, LC, VF-45, Opti-Jack, LX.5 и SCDC. Также сегодня есть и новые разработки.

Наиболее популярным миниатюрным разъемом является разъем типа MT-RJ, который имеет один полимерный наконечник с двумя оптическими волокнами внутри. Его конструкция была спроектирована консорциумом компаний во главе с AMP Netconnect на основе разработанного в Японии многоволоконного разъема MT. AMP Netconnect на сегодня представила уже более 30 лицензий на производство данного типа разъема MT-RJ.

Своему успеху разъем MT-RJ во многом обязан внешней конструкции, которая схожа с конструкцией 8-контактного модульного медного разъема RJ-45. За последнее время характеристики разъема MT-RJ заметно улучшились - AMP Netconnect предлагает разъемы MT-RJ с ключами, предотвращающими ошибочное или несанкционированное подключение к кабельной системе. Кроме того, ряд компаний разрабатывает одномодовые варианты разъема MT-RJ.

Достаточно высоким спросом на рынке оптических кабельных решений пользуются разъемы LC компании Avaya (http://www.avaya.com). Конструкция этого разъема основана на использовании керамического наконечника с уменьшенным до 1,25 мм диаметром и пластмассового корпуса с внешней защелкой рычажного типа для фиксации в гнезде соединительной розетки.

Разъем выпускается как в симплексном, так и в дуплексном варианте. Основным преимуществом разъема LC являются низкие средние потери и их среднеквадратичное отклонение, которое составляет всего 0,1 дБ. Такое значение обеспечивает стабильную работу кабельной системы в целом. Для установки вилки LC применяются стандартная процедура вклеивания на эпоксидной смо ле и полировки. Сегодня разъемы нашли свое применение у производителей 10 Гбит/с-трансиверов.

Компания Corning Cable Systems (http://www.corning.com/cablesystems) производит одновременно как разъемы типа LC, так и MT-RJ. По ее мнению, индустрия СКС сделала свой выбор в пользу разъемов MT-RJ и LC. Недавно компания выпустила первый одномодовый разъем MT-RJ и UniCam-версии разъемов MT-RJ и LC, особенностью которых является малое время монтажа. При этом для установки разъемов типа UniCam нет необходимости использовать эпоксидный клей и поли

Оптическое волокно — Википедия

Пучок оптических волокон

Опти́ческое волокно́ — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Волоконная оптика — раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна. Кабели на базе оптических волокон (волоконно-оптический кабель) используются в волоконно-оптической связи, позволяющей передавать информацию на бо́льшие расстояния с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи^[1]. В ряде случаев они также используются при создании датчиков.

Принцип передачи света, используемый в волоконной оптике, был впервые продемонстрирован в XIX веке, но повсеместное применение было затруднено отсутствием соответствующих технологий.

В 1934 г. американец Норман Р. Френч получил патент на оптическую телефонную систему, речевые сигналы в которой передавались при помощи света по стержням чистого стекла. В 1962 г. был создан полупроводниковый лазер и фотодиод, используемые как источник и приёмник оптического сигнала^[2].

Повсеместному переходу на технологии ВОЛС мешали высокие затухания в оптическом волокне, поэтому конкуренция с медными линиями была невозможна. Только к 1970 г. компании Corning удалось наладить коммерческое производство волокна с низким затуханием — до 17 дБ/км, через пару лет — до 4 дБ/км. Волокно являлось многомодовым и по нему передавалось несколько мод света. К 1983 году был освоен выпуск одномодовых волокон, по которым передавалась одна мода.

В России первые волоконно-оптические линии появились в Москве. Первой подводной ВОЛС стала магистраль Санкт-Петербург — Аберслунд (Дания), проложенная АО «Совтелеком» (ныне ПАО «Ростелеком»^[3]).

В 2018 году исследователи из исследовательского института NICT Network System и компании Fujikura Ltd, специалисты которой разработали новый тип трехмодового (трехканального) оптического волокна, провели эксперимент, во время которого была достигнута скорость передачи информации в 159 терабит в секунду на расстояние 1045 километров. В обычных условиях задержки при использовании многомодового оптоволокна мешают одновременно получать высокие скорости передачи и осуществлять передачу на большие расстояния. И данное достижение является своего рода демонстрацией нового метода преодоления ограничений^[4].

Стеклянные оптические волокна делаются из кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как фторцирконат, фторалюминат и халькогенидные стёкла. Как и другие стёкла, эти имеют показатель преломления около 1,5.

В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон. Сердечник в таком волокне изготовляют из полиметилметакрилата (PMMA), а оболочку из фторированных PMMA (фторполимеров).

Оптическое волокно, как правило, имеет круглое сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. 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.

Возможны и более сложные конструкции: в качестве сердцевины и оболочки могут применяться двумерные фотонные кристаллы, вместо ступенчатого изменения показателя преломления часто используются волокна с градиентным профилем показателя преломления, форма сердцевины может отличаться от цилиндрической. Такие конструкции обеспечивают волокнам специальные свойства: удержание поляризации распространяющегося света, снижение потерь, изменение дисперсии волокна и др.

Оптические волокна, используемые в телекоммуникациях, как правило, имеют диаметр 125±1 микрон. Диаметр сердцевины может отличаться в зависимости от типа волокна и национальных стандартов.

Профиль показателя преломления различных типов оптических волокон:
слева вверху — одномодовое волокно;
слева внизу — многомодовое ступенчатое волокно;
справа — градиентное волокно с параболическим профилем

Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 10 микрон. Благодаря малому диаметру сердцевины оптическое излучение распространяется по волокну в одной (основной, фундаментальной) моде и, как результат, отсутствует межмодовая дисперсия.

Существует три основных типа одномодовых волокон:

1. одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (стандартное) (SMF или SM, англ. step index single mode fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи;
2. одномодовое волокно со смещённой дисперсией (DSF или DS, англ. dispersion shifted single mode fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.653. В волокнах DSF с помощью примесей область нулевой дисперсии смещена в третье окно прозрачности, в котором наблюдается минимальное затухание;
3. одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (NZDSF, NZDS или NZ, англ. non-zero dispersion shifted single mode fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.655

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62.5 микрон в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения — каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе — показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т. д.

Полимерные (пластиковые) волокна производят диаметром 50, 62.5, 120 и 980 микрометров и оболочкой диаметром 490 и 1000 мкм.

Волоконно-оптическая связь[править | править код]

Волоконно-оптический кабель

Основное применение оптические волокна находят в качестве среды для передачи информации в волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей. Применение оптических волокон для линий связи обусловлено тем, что оптическое волокно обеспечивает высокую защищённость от несанкционированного доступа, низкое затухание сигнала при передаче информации на большие расстояния, возможность оперировать с чрезвычайно высокими скоростью передачи и пропускной способностью даже при том, что скорость распространения сигнала в волокнах может быть до 30 % ниже, чем в медных проводах и до 40 % ниже скорости распространения радиоволн^[5]. Уже к 2006 году была достигнута частота модуляции 111 ГГц^[6][7], в то время как скорости 10 и 40 Гбит/с стали уже стандартными скоростями передачи по одному каналу оптического волокна. При этом каждое волокно, используя технологию спектрального уплотнения каналов может передавать до нескольких сотен каналов одновременно, обеспечивая общую скорость передачи информации, исчисляемую терабитами в секунду. Так, к 2008 году была достигнута скорость 10,72 Тбит/с^[8], а к 2012 — 20 Тбит/с^[9]. Последний рекорд скорости - 255 Тбит/с^[10].

С 2017 года специалисты говорят о достижении практического предела существующих технологий оптоволоконных линий связи и о необходимости кардинальных изменений в отрасли.^[11]

Волоконно-оптический датчик[править | править код]

Оптическое волокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии дают волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях.

Оптическое волокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микрофон, основными элементами которого являются лазерный излучатель, отражающая мембрана и оптическое волокно^[12].

Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Они хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.

С использованием полимерных оптических волокон создаются новые химические датчики (сенсоры), которые нашли широкое применение в экологии, например, для детектирования аммония в водных средах^[13].

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Оптическое волокно применяется в лазерном гироскопе, используемом в Boeing 767^{[источник не указан 2440 дней]} и в некоторых моделях машин (для навигации). Волоконно-оптические гироскопы применяются в космических кораблях «Союз»^[14]. Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна, полученные при вращении заготовки с сильным встроенным двойным лучепреломлением.

Другие применения[править | править код]

Диск фрисби, освещённый оптическим волокном

Оптические волокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптические волокна направляют солнечный свет с крыши в какую-нибудь часть здания. Также в автомобильной светотехнике (индикация на приборной панели).

Волоконно-оптическое освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные рождественские ёлки.

Оптическое волокно также используется для формирования изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно с линзами — например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.

Оптическое волокно используется при конструировании волоконного лазера.

1. ↑ Коробейников А. Г., Гатчин Ю. А., Дукельский К. В., Тер-Нерсесянц Е. В. Проблемы производства высокопрочного оптического волокна - Статья. - УДК 681.7.- Научно-технический вестник ИТМО. - выпуск 2(84). - март-апрель 2013
2. ↑ Душутин Н. К., Моховиков А. Ю. Из истории физики конденсированного состояния (неопр.). Из истории физики конденсированного состояния С. 157. Иркутский государственный университет (2014).
3. ↑ История ОАО «Ростелеком»
4. ↑ "Record Breaking Fiber Transmission Speed Reported" ECN, 17 апреля, 2018
5. ↑ Салифов И. И. Расчёт и сравнение сред передачи современных магистральных сетей связи по критерию латентности (задержки) // T-Comm – Телекоммуникации и Транспорт : журнал. — М.: ИД «Медиа паблишер», 2009. — № 4. — С. 42.
6. ↑ NTT Press Release. 14 Tbps over a Single Optical Fiber: Successful Demonstration of World's Largest Capacity. 140 digital high-definition movies transmitted in one second (неопр.) (September 29, 2006). Дата обращения 3 октября 2011. Архивировано 27 мая 2012 года.
7. ↑ M. S. Alfiad, et al.. 111 Gb/s POLMUX-RZ-DQPSK Transmission over 1140 km of SSMF with 10.7 Gb/s NRZ-OOK Neighbours, С. Mo.4.E.2.
8. ↑ Листвин А. В., Листвин В. Н., Швырков Д. В. Оптические волокна для линий связи. — М.: ЛЕСАРарт, 2003. — С. 8. — 288 с. — 10 000 экз. — ISBN 5-902367-01-8.
9. ↑ Huawei представила прототип системы магистральной передачи 400G DWDM
10. ↑ Создано оптоволокно с пропускной способностью до 255 терабит в секунду, Лента.ру (28 октября 2014).
11. ↑ Александр Голышко, Виталий Шуб. Время чудес, или Тормоза для конца света (неопр.). ИКС медиа. Журнал ИКС (7 июля 2017). Дата обращения 21 мая 2018.
12. ↑ TP: Der Glasfaser-Schallwandler (неопр.). Дата обращения 4 декабря 2005. Архивировано 21 августа 2011 года.
13. ↑ Лопес Н. ., Секейра Ф. ., Гомес М. С., Рожерио Н. Н., Бильро Л. ., Задорожная О. А., Рудницкая А. М. Оптоволоконный сенсор, модифицированный графтингом молекулярно-импринтированного полимера для детектирования аммония в водных средах // Журнал «Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики». — 2015. — № 4. — ISSN 2226-1494.
14. ↑ Научно-Производственная Компания "Оптолинк": Новости (неопр.). Дата обращения 17 июня 2013. Архивировано 18 июня 2013 года.

• Н.К.Душутин, А.Ю.Моховиков. Из истории физики конденсированного состояния. — Иркутск: ИГУ, 2014.
• Листвин А. В., Листвин В. Н., Швырков Д. В. Оптические волокна для линий связи. — М.: ЛЕСАРарт, 2003. — 288 с. — 10 000 экз. — ISBN 5-902367-01-8.
• Волоконно-оптические датчики / Под ред. Э. Удда. — М.: Техносфера, 2008. — 520 с.
• Gambling, W. A., «The Rise and Rise of Optical Fibers», IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 6, No. 6, pp. 1084—1093, Nov./Dec. 2000
• Gowar, John, Optical Communication Systems, 2 ed., Prentice-Hall, Hempstead UK, 1993 (ISBN 0-13-638727-6)
• Hecht, Jeff. City of Light, The Story of Fiber Optics. — New York: Oxford University Press, 1999. — ISBN 0-19-510818-3.
• Hecht, Jeff, Understanding Fiber Optics, 4th ed., Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, USA 2002 (ISBN 0-13-027828-9)
• Nagel S. R., MacChesney J. B., Walker K. L., «An Overview of the Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD) Process and Performance», IEEE Journal of Quantum Mechanics, Vol. QE-18, No. 4, April 1982
• Ramaswami, R., Sivarajan, K. N. Optical Networks: A Practical Perspective. — San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers, 1998. — ISBN 1-55860-445-6.

Волоконно-оптические линии связи

Квантовая и оптическая электроника. Лекция N9

Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) - линия связывающая две электрические цепи путем перенесения информации с использованием светового сигнала внутри оптического волокна (тонкой стеклянной или пластиковой нити) Принцип работы оптического волокна основан на эффекте полного внутреннего отражения. Входной сигнал модулирует источник светового излучения, а для обратного преобразования света в электрический сигнал используют фотоприемники. Таким образом ВОЛС включает следующие основные компоненты:

1) передатчик;

2) кабель на базе оптического волокна;

3) приемник;

4) соединители (коннекторы).

Для более сложных линий и коммуникационных сетей используются дополнительные элементы, такие как разветвители, мультиплексоры и распределительные устройства.

Передатчик

В качестве передатчиков используют светодиоды и полупроводниковые лазеры.

Для передачи информации в основном применяют излучения с длинами волн: 1550 нм, 1300 нм, 850 нм, чтобы обеспечить минимальное затухание в оптических волокнах.

Светодиоды могут излучать свет с длинной волны 850 нм и 1300 нм. Излучатели с длиной волны 850 нм существенно дешевле, чем излучатели с длиной волны 1300 нм. При этом полоса пропускания кабеля для волн 850 нм уже (200 МГц/км вместо 500 МГц/км). Принцип действия, характеристики и конструкцию светодиодов см. лекцию №7.

Лазерные излучатели работают на длинах волн 1300 нм и 1500 нм. Быстродействие современных лазеров позволяет модулировать световой поток с частотами 10 ГГц и выше. Лазерные излучатели создают когерентный поток света, за счет чего потери в оптических волокнах становятся меньше, чем при использовании некогерентного потока от светодиода. Принцип действия, характеристики и конструкцию лазеров см. лекцию №10.

Оптоволоконные кабели.

Конструкция.

Оптическое волокно состоит из центрального проводника света (ядро) и окружающей оптической оболочки, имеющей меньший показатель преломления. Распространяясь по ядру лучи света не выходят за его пределы, испытывая отражение на границе раздела ядро – оболочка. Свет, падающий на границу под углом, меньше критического, будет проникать в оптическую оболочку, и затухать по мере распространения в ней, т.к. оптическая оболочка не предназначена для переноса света. Также волокна имеют дополнительное защитное покрытие, которое предохраняет от ударов ядро и оптическую оболочку. Волокна сами по себе имеют чрезвычайно малый диаметр.

На Рис.1 представлена схема распространения света по волокну. Свет заводится внутрь волокна под углом, больше критического, к границе “ядро/оптическая оболочка”, и испытывает полное внутреннее отражение на этой границе. Поскольку углы падения и отражения совпадают, то свет и в дальнейшем будет отражаться от границы. Таким образом, луч света будет дви­гаться зигзагообразно вдоль волокна.

Характеристики оптоволоконных кабелей.

- Дисперсия– это зависимость фазовой скорости волны, распространяющейся в оптическом кабеле от частоты.

- Количество мод в волокне. Из специальных глав физики известно, что параметры оптического волокна определяют количество электромагнитных волн (мод), которые могут в нем распространяться. Для каждого волокна существует_КР, такая, что все волны, имеющие<_КРне будут распространяться. Изменяя_КРможно добиться распространения в волокне необходимого числа волн (мод). Для распространения излучения одной длины волны (моды) необходимо выполнение условия, при котором все, кроме одной, излучаемые источником длины волн имеют>_КР.

- Ширина полосы пропускания – часто ее указывают вместо дисперсии в многомодовых волокнах, выражается в мегагерцах на километр (МГц/км). Полоса пропускания в 400 МГц/км означает возможность передачи сигнала в полосе 400 МГц на расстояние 1 км, т.е. произведение максимальной частоты сигнала на длину передачи может быть меньше или равно 400. Другими словами, можно передавать сигнал более низкой частоты на большее расстояние или более высокой частоты на меньшее расстояние, как показано на Рис.1.

В

Рис.1

ыражение полосы пропускания через одномодовую дисперсию является сложным, его приблизительная оценка может быть получена на основе следующего уравнения:

, (2)

где: Disp - дисперсия на рабочей длине волны в сек на нанометр и на километр;

S_W - ширина спектра источника в нм; L - длина волокна в км.

-

Рис.2

Затухание – это потеря оптической энергии по мере движения света по волокну, измеряется в децибелах на километр. Затухание зависит от длины волны света. Существуют окна прозрачности, в которых свет распространяется вдоль волокна с малым затуханием. Следовательно, при работе источника света в этих диапазонах потери при передаче в волокне будут минимальны. На Рис.2а представлена типичная кривая затухания для многомодового волокна с низкими потерями. Рис.2б представляет ту же кривую для одномодового волокна. Важнейшей особенностью затухания в оптическом волокне является его независимость от частоты модуляций внутри полосы пропускания. Затухание в волокне определяется тремя эффектами: рассеянием, поглощением и наличием м

Рис.3

икроизгибов. На Рис.3 показано, что вариации границы могут приводить к отражению мод высокого порядка под углами, не допускающими дальнейших отражений.

- Численная апертура (NA) - определяет способность волокна собирать лучи. NA зависит от свойств материалов волокна и определяется показателями преломления ядра и оптической оболочки: . NA волокна указывает на то, как свет вводится в волокно и распространяется по нему. Волокно с большим значением NA (т.е. подразумевает большее количество возможных световых траекторий) хорошо принимает свет, в то время, как в волокно с малым значением NA (волокна с широкой полосой пропускания) можно ввести только узконаправленный пучок света.

Также можно определить величину углов, при которых свет распространяется вдоль волокна. Эти углы образуют конус, называемый входным конусом, угловой растр которого определяет максимальный угол ввода света в волокно.

(3)

Рис.4

где - половина угла ввода (Рис.4).

Источник и приемник также имеют свои апертуры:

NA_ист источника определяет угловую апертуру входного света.

NA_дет детектора определяет рабочий диапазон углов для приемника.

Очень важно выполнить условие: NA_ист = NA_дет. Рассогласование NA приводит к дополнительным потерям при передаче света от устройства с меньшим значением NA к устройству с большим значением.

- Прочность волокна- характеризует способность волокна противостоять натяжению, разрыву и изгибу без повреждения. Основная причина, обусловливающая хрупкость волокна, - наличие микротрещин на поверхности и дефектов внутри волокна. Поверхностные дефекты могут возрастать под воздействием растягивающей нагрузки, возникающей во время прокладки кабеля. Температурные изменения, механические и химические воздействия, обычное старение также приводят к появлению дефектов. Стеклянные волокна можно согнуть в виде окружности небольшого диаметра. При этом необходимо помнить, что минимальный радиус кривизны равен пяти диаметрам кабеля при отсутствии растягивающих напряжений и 10 диаметрам кабеля при их наличии.

- Радиационная прочность – определяет способность оборудования противостоять ядерным эффектам. Волокна в отличие от проводников не накапливают статические заряды под воздействием радиации. Волокна также не повреждаются мгновенно после расплавления их кабельной оболочки под тепловым воздействием радиационного источника.

Волокна противостоят росту затухания в условиях постоянного радиоактивного облучения высокой интенсивности. Рост затухания зависит от величины накопленной дозы и интенсивности облучения.

1. Общие сведения о волоконно-оптической связи. Оптические линии связи и пассивные компоненты ВОСП

1.1. История развития волоконной оптики

1.2. Структура волоконно-оптической системы передачи

1.3. Производство оптических кабелей в России и за рубежом

1.4. Преимущества и недостатки использования оптических волокон в системах связи

1.1. История развития волоконной оптики

История передачи информации с помощью луча света уходит в глубь веков. Наиболее близкие к нам изобретения относятся к 90-м годам XVIII века: И.П. Кулибин (в России) и К. Шапп (во Франции) независимо друг от друга изобрели оптический телеграф, а в 1880 году Александр Грехем Белл установил телефонную связь между крышами двух домов в Вашингтоне, используя сфокусированный солнечный луч. Эти системы использовали передачу света через атмосферу [5].

Первые световоды появились в России в 70-е годы XIX века (1874-76). Русский электротехник В.Н. Чиколев использовал полые, зеркальные внутри, металлические трубы для освещения одной дуговой лампой нескольких помещений, в том числе и пороховых погребов, где использование таких ламп было взрывоопасным. Однако мысль о передаче информации с помощью луча света, распространяющегося по световоду, пришла к ученым почти через 100 лет (в 60-е годы ХХ века).

В период с 1953 по 1959 год работами Ван Хиила, Капани и Хирошавица был заложен основной принцип волоконной оптики – принцип передачи света по двухслойному диэлектрическому световоду. Все современные световоды, используемые как для связи, так и для других применений, построены на основе этого принципа.

В эти же годы (1954) Н.Г. Басов и А.М. Прохоров (в России) и независимо от них Ч.Таунс (в США) сделали величайшее открытие века: создали источник микроволнового когерентного излучения – газовый квантовый генератор, названным мазером, а в 1959 году Н.Г. Басов с сотрудниками предложил использовать полупроводниковые материалы для создания твердотельных световых квантовых генераторов, названых лазерами. Слово «лазер» составлено из первых букв фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света с помощью индуцированного излучения.

В 1965-66 годах британская телефонная компания STL выдвинула идею использования стеклянного волокна для оптической связи. Это было реально при  условии очистки стекла до уровня, обеспечивающего потери в 20 дБ/км. Указанная идея была опубликована К.Ч. Као и Дж.А. Хоклхемом в журнале «IEEE Proceedings» в 1966 году.

С 1966 года ряд зарубежных фирм, таких как Bell Laboratories  и Corning Glass Works (в США), Nippon Electric и Nippon Sheet Glass (в Японии), AEG-Telefunken и Siemens und Halske (в Германии), занялись вопросами очистки стекла и разработкой технологии получения оптических волокон для линий дальней связи. Эти работы на Западе шли параллельно с исследованием и других сред для передачи оптического излучения.

В 1956 году впервые в мире О.Ф. Косминский (в России, Ленинград) предложил использовать оптический диапазон длин волн для передачи больших объемов информации по искусственным оптическим линиям передачи. В 1957-58 годах он и В.Н. Кузьмичев обосновали общую схему световодной системы связи, основные принципы построения оптических многоканальных систем связи, основные типы световодов.

В 1965 году группой специалистов ЦНИИС во главе с А.Г. Мурадяном была создана 12 канальная оптическая линия связи между двумя АТС в Москве с использованием ИКМ. В 1966 году этими же специалистами была реализована экспериментальная лазерная линия связи емкостью 240 каналов, сформированная по методу ИКМ, между двумя АТС в Москве. Работы в этом же направлении проводились в те годы и на Западе. Например, компания «Bell Telephone» провела испытания лазера в системе связи с ИКМ.

В 1970 году впервые в мире были получены потери в оптическом волокне менее 20 дБ/км. В этом же году в Ленинграде Ж.И. Алферов создал полупроводниковый лазер на основе двойной гетероструктуры. Эти структуры оказались наиболее перспективными (среди других полупроводниковых материалов) для источников и приемников излучения и используются до сих пор в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) [5].

Первые публикации о разработке отечественных стеклянных волоконных световодов, предназначенных для передачи информации, появились в 1975 году (Е.М. Дианов, ФИАН, и Г.Г. Девятых с сотрудниками, ИХАН). Первые световоды имели диаметр сердцевины 35 мкм и внешний диаметр 130 мкм, их длина составляла 100-130 м. Минимальные потери до 10 дБ/км были получены в диапазоне длин волн 0,7-0,9 мкм в световоде со ступенчатым профилем показателя преломления. В 1976 году в ФИАНЕ была опробована ВОЛС для связи блоков ЭВМ длиной 350 м на основе созданных световодов [5].

В конце 70-х годов Минэлектронпромом были специально разработаны для ВОЛС полупроводниковые излучающие диоды, суперлюминисцентные и лазерные диоды. Эти излучатели были оптимизированы на длину волны излучения 0,8-0,9 мкм. Диапазон вводимых в волокно мощностей составлял от 50 мкВт до 1,5 мВт. Разрабатывались цифровые передающие модули.

Разработчиком ПП фотоприемников, по сложившейся специализации министерств, был Миноборонпром СССР.  К 1981 году в НИИ прикладной физики (НИИПФ) был разработан и получил высокую оценку pin-фотодиод «Нитка-Ф». Для линий дальней связи разрабатывался лавинный фотодиод, имевший высокую чувствительность в диапазоне 0,5-1,6 мкм и очень высокое быстродействие – более 1 ГГц. Разработкой многослойных эпитаксиальных структур на основе твердых растворов GaAlAsSb и InGaAsP для фотоприемников и излучателей занимался «Гиредмет» Минцветмета.

Разработку приемных и передающих модулей для ВОЛС под свои задачи проводили предприятия отраслевых министерств. Это были в основном бортовые модули на основе световодов и pin-фотодиодов диапазона 0,8-0,9 мкм. Среди этих работ следует отметить комплекты модулей НИИ автоматики Минпромсвязи, микросборки МНИИП Минрадиопрома, НИИ «Агат» Минсудпрома, ЛИИ Минавиапрома [5].

Работы по созданию ОВ для ВОЛС проводили институты АН СССР и ряд институтов отраслевых министерств (Минэлектронпром, Минхимпром, Минстройматериалов, Минэлектротехпром).

На выставке «ВОЛС-3» было представлено ОВ в основном типа «кварц-полимер», работающее на длине волны 0,85 мкм, имеющее диаметр сердцевины 200-400 мкм для передачи излучения светодиодов и с диаметром сердцевины 50-60 мкм для передачи излучения лазерных диодов, с затуханием порядка 10-30 дБ/км. Такое волокно было продемонстрировано НИИЭС и ВНИИКП. Результаты НИР по созданию «ступенчатого» и «градиентного» волокна на длину волны 1,3 мкм показал НИИ кварцевого стекла МПСМ. Для градиентного волокна с диаметрами сердцевина/оболочка 60/150 мкм была достигнута широкополосность 200 Мгц/км и затухание 5дБ/км.

Разработкой ОК различного назначения и соответственно различных конструкций занимались в основном ВНИИКП и ОКБКП Минэлектротехпрома были попытки разработки кабелей на основе волокна собственного производства и у других предприятий. Во ВНИИКП были разработаны конструкции кабеля с количеством волокон 1,2,4,8 на основе волокон «кварц-полимер» и «кварц-кварц» с затуханием от 10 до 30 дБ/км и наружным диаметром от 2,5 мм до 12 мм.

ОКБКП разработал и выпускал по ТУ 1979 года кабель КВСП-50 на основе волокна «кварц-полимер» со ступенчатым профилем показателя преломления, затуханием 20-40 дБ/км и широкополосностью 40 МГц/км, кроме того, был разработан внутриобъектовый ОК с затуханием менее 30 дБ/км.

К началу 80-х годов на имеющихся экспериментальных и опытных образцах компонентов были созданы, опробованы и получены результаты НИР по созданию ВОЛС различного назначения. В частности, были разработаны бортовые ВОЛС для подвижных объектов: самолетов, кораблей, танков и др. Эти линии имели небольшую длину, использовали преимущественно волокно с диаметром сердцевины 200-400 мкм, световоды и pin-фотодиоды диапазона 0,85 мкм. Главным преимуществом ВОЛС перед традиционными системами связи на борту была их невосприимчивость к электромагнитным полям.

В мае1981 года было принято Постановление ЦК КПСС и СМ СССР «О разработке и внедрении световодных систем связи и передачи информации». С его выходом было положено начало организации широкомасштабных работ в области ВОЛС. Оно поставило перед предприятиями заинтересованных министерств задачи по созданию ОВ и кабеля, оптоэлектронной элементной базы, контрольно-измерительной аппаратуры, специального технологического оборудования, оптических соединителей и других компонентов. Конечной целью являлись ВОЛС для передачи различной информации: от телефонных разговоров до цифровых широкополосных сигналов в системах специального назначения.

Развитие задач, поставленных в 1981 году, было закреплено Постановлениями СМ СССР 1985-86 годов. В соответствии с ними и решениями ВПК  конкретизировались отдельные направления работ. Например, осваивался диапазон длин волн 1,55 мкм; повышались требования к быстродействию, энергетическим характеристикам, надежности оптоэлектронных компонентов; повышались требования к качеству ОВ – его стойкости к низким температурам, долговечности, вносимому затуханию, дисперсии [5].

Ведущая роль в разработке отечественного ОВ принадлежит АН СССР и в первую очередь ФИАН, из которого в середине 80-х годов выделился ИОФАН под руководством А.М.Прохорова. Этот институт далее и занимался ОВ. Кроме того, разработкой технологии ОВ занимался Институт химии – ИХАН и Институт радиотехники и электроники – ИРЭАН СССР.

Под руководством Е.М.Дианова в ФИАН в 80-е годы в содружестве с ИХАН, где работами руководил Г.Г.Девятых широко развернулись работы по созданию технологии ОМ-волокна и, кроме, продолжались ранее начатые работы по усовершенствованию технологии градиентных ММ-волокон. Направления работ по волокну определяли требования к оптическому кабелю, основными из них были:

• уменьшение и достижение предельно низких, близких к теоретическому минимуму, потерь в волокне;
• увеличение ширины полосы пропускания или сведения к минимуму дисперсии;
• увеличение прочности волокна;
• снижение потерь, возникающих при использовании ОВ при отрицательных температурах;
• повышение радиационной стойкости волокна.

Для одномодовых волокон, полученных методом химического осаждения из газовой фазы на внутреннюю поверхность опорной трубки, к 1988 году были достигнуты потери, близкие к теоретическому пределу; на длине волны 1,3 мкм – 0,36 дБ/км и на длине волны 1,55 мкм – 0,21 дБ/км.

К концу 80-х годов в стране была частично создана, а на 90% закуплена за рубежом технологическая база для выпуска ОВ. Разработки ведущих НИИ, а особенно АН СССР, отличались высокими характеристиками и неплохим качеством, но получить промышленное волокно с такими же характеристиками не удалось.

Отечественное промышленное волокно серьезно уступало зарубежному по прочности и стабильности характеристик при эксплуатации. Причина тому видится в изначальном распылении средств на разработку и промышленный выпуск между предприятиями многих министерств. Одного только оборудования было закуплено не менее чем для 10 институтов и стольких же заводов. Низкое качество отечественного волокна вынудило Минсвязи сделать ставку на импортное волокно при производстве отечественных ОК, так как это было экономически целесообразнее при прокладке ВОЛС, которые в то время начали широко внедряться. Учитывая, что Министерство связи является самым мощным по объемам потребителем ОК, производство отечественного ОВ в начале 90-х годов было практически остановлено[5].

Ответственным за разработку оптических кабелей (ОК) в едином технологическом цикле с ОВ Постановлением 1981 года было назначено Министерство электротехнической промышленности (МЭТП), головным предприятием отрасли по выпуску ОК был назначен Всероссийский научно-исследовательский институт кабельной продукции (ВНИИКП). Kроме ВНИИКП в МЭТП разработкой и выпуском ОК занималось отраслевое конструкторское бюро кабельной продукции (ОКБКП) в Мытищах, которое также как и ВНИИКП к 1981 году уже имело опыт работы с ОК и выпускало серийные марки такого кабеля.

Между ВНИИКП и ОКБКП с выходом Постановления установилось разграничение тематики: ВНИИКП в основном разрабатывал ОК для городских, зоновых и магистральных линий связи, их главным заказчиком было Минсвязи СССР. ОКБКП разрабатывал внутриобъектовые и бортовые кабели. Оба этих предприятия имели опытное производство на своих территориях и, кроме того, промышленный выпуск ОК осваивал опытный завод ВНИИКП в Подольске, завод «Электропровод» в Москве, завод «Севкабель» в С.-Петербурге, завод «Ташкенткабель», завод «Одессакабель» и некоторые другие [5].

Первым ОК для городских линий связи, освоенным в серийном производстве на ОЗ ВНИИКП в 1985-86 годах был ОК-50 («Каштан»). Oн имел 4-8 волокон «кварц-полимер», работал на длине волны 0,85 мкм, вносил затухание 3-5 дБ/км, имел широкополосность 250-500 Мгц/км.

Следующей серийной разработкой ВНИИКП в 1987 году был кабель ОЗКГ-1 («Калибр») для зоновых линий связи первого поколения. Кабель использовал градиентные волокна на длине волны 1,3 мкм, имел затухание 0,7-1,5 дБ/км, кроме 4 (8) волокон предусматривались 4 медные жилы для дистанционного питания линейного оборудования. Конструктивно кабель содержал центральный профильный элемент и свободно располагающиеся в пазах сердечника волокна. Укладка ОВ осуществлялась одновременно с закруткой профилированного сердечника и введением гидрофобного заполнения. Выполненный по этой технологии кабель поставлялся на линию Ленинград-Сосновый бор.

Последующие разработки ВНИИКП на основе ОМ-волокон могли использоваться как для зоновых так и для магистральных линий. Таким был кабель ОМЗКГ-10 («Калибр-4»), освоенный в серийном производстве в 1988 году. ОМ-волокно работало на длине волны 1,3 мкм, имело затухание не более 0,7 дБ/км, дисперсию до 3,5 пс/нм×км. Кабель предназначался для прокладки в грунты любых категорий и в воде при пересечении болот и рек. Такой кабель поставлялся с 1989 года на строительство линии Ленинград – Минск.

К концу 1990 г. было разработано второе поколении ОК: городские с ОМ- и ММ-волокнами на длине волны 1,3 мкм с затуханием до 0,7 дБ/км и кабели дальней связи на длине волны 1,55 мкм с затуханием до 0,3 дБ/км (марки ОКЛ). Кабели ОКЛ были поставлены в 1990 году на строительство линии Минск – Смолевичи.

К настоящему времени оптическое волокно оказалось той средой передачи, которая смогла справиться с огромными потоками информации, представленными на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Рост скорости передачи в сетях за последние десятилетия

Практическая реализация сверхскоростных ВОЛС и систем на их основе связана с решением целого ряда научных и инженерно-технических проблем. Среди них особое место занимает освоение технологии волнового уплотнения (DWDM) и солитонной оптической связи.

1.2. Структура волоконно-оптической системы передачи

По существу, ВОСП содержат функциональные узлы, присущие любым радиотехническим системам связи. Более того, при формировании сигналов, в принципе, возможно использование тех же разнообразных способов кодирования и видов модуляции, которые известны в радиотехническом диапазоне. Однако ряд особенностей оптического диапазона и используемого в нем элементного базиса накладывают свои ограничения на реализационные возможности ВОСП или приводят к техническим решениям, отличным от традиционных в технике связи.

Волоконно-оптической системой передачи называется совокупность активных и пассивных устройств, предназначаемых для передачи информации на расстояние по оптическим волокнам (ОВ) с помощью оптических волн и сигналов. Другими словами, ВОСП – это совокупность оптических устройств и оптических линий передачи для создания, обработки и передачи оптических сигналов. При этом оптическим сигналом служит модулированное оптическое излучение лазера или светодиода.

Рисунок 1.2 – Структурная схема волоконно-оптической системы передач

На рисунке 1.2 представлены основные компоненты такой системы.

Передатчик преобразует электрические сигналы в световые. Данное преобразование выполняет источник, представляющий собой либо светоизлучающий, либо лазерный диод. Электронная схема управления преобразует входной сигнал в сигнал определенной формы, необходимой для управления источником.

Волоконно-оптический кабель – среда, по которой распространяется световой сигнал. Кабель состоит из  оптического волокна и защитных оболочек.

Приемник предназначен для приема светового сигнала и его обратного преобразования в электрические сигналы. Его основными частями являются оптический детектор, непосредственно выполняющий функцию преобразования сигнала.

Соединители (коннекторы) предназначены для подключения волокна к источнику, оптическому детектору и для соединения волокон между собой.

В настоящее время при организации связи по волоконно-оптическим линиям связи  предпочтение отдается цифровым системам передачи (ЦСП) с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), что обусловлено помимо общих преимуществ ЦСП по сравнению с аналоговыми системами передачи (АСП) особенностью работы и построения ВОСП. Это связано  с высоким уровнем шумов фотодиодов, которые используются в качестве приемников оптического излучения. Для получения необходимого качества передачи информации с помощью АСП требуются специальные методы приема и обработки аналоговых оптических сигналов. ЦСП обеспечивает требуемое качество передачи информации при отношении сигнал-помеха на 30...40 дБм меньше, чем АСП. Поэтому реализация ВОСП с использованием ЦСП намного проще по сравнению с АСП.

В ВОСП используется приграничный к инфракрасному диапазон длин волн от 800 до 1600 нм, при этом предпочтительными являются длины волн 850, 1300 и  1550 нм.

1.3. Производство оптических кабелей в России и за рубежом

Рисунок 1.3 – Динамика роста продаж волоконно-оптических кабелей (тыс.км)

Анализируя состояние и развитие телекоммуникаций в мире, можно отметить устойчивый рост объемов прокладки волоконно-оптического кабеля (ВОК) в мире, ввод в эксплуатацию новых и усовершенствование существующих волоконно-оптических систем и, как следствие, рост объемов производства и продаж ВОК.

Динамика роста продаж ВОК представлена на рисунке 1.3.

Доля различных типов ВОК в мировой торговле приведена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 – Доля различных типов ВОК в мировой торговле

В таблице 1.1 представлены данные по фактическому производству оптических волокон в России.

Таблица 1.1 – Объемы производства оптических волокон в России

Год	1996	1997	1998	1999	2000	2001
Объем выпуска, тыс.км	80	140	200	360	430	450

Стабильный рост производства оптических кабелей в России, при общем спаде производства кабелей связи, подтверждает мировые тенденции. Однако общий объем российского производства и рынка ничтожно мал в сравнении с мировыми показателями. В таблице 1.2 представлены объемы импорта оптических кабелей в России в тыс. долларов США.

Таблица 1.2 – Объемы импорта оптических кабелей в Россию

Год	1997	1998	1999
Объем импорта в тыс. $	50097	65580	24400

Несмотря на решение «Ростелекома» использовать для прокладки только отечественные оптические кабели, другие потребители – «Газтелеком», РАО ЕЭС предпочитают использовать импортные оптические кабели.

По прогнозам ВНИИКП предполагается, что с 2004 года потребление волоконно-оптических кабелей должно быть не менее 1400 тыс. км./год в одноволоконном исчислении.

В таблице П.1 Приложения 1 приведены основные российские производители оптических кабелей, обеспечивающие до 80% выпуска.

1.4. Преимущества и недостатки использования оптических волокон в системах связи

Волоконно-оптические коммуникации имеют ряд преимуществ по сравнению с электронными системами, использующими передающие среды на металлической основе. Среди них можно указать следующие.

Широкая полоса пропускания – обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей – около 10¹⁴ Гц, которая обеспечивает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания – одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или другой средой передачи информации.

Малое затухание оптического сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественное и зарубежное 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 более 100 км.

Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания за счет использования различных способов модуляции сигналов при малой избыточности их кодирования.

Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, то оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередач, электродвигательные установки и т.д.).

Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность.

Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучают в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи.

Гальваническая развязка. Это преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве.

Взрыво-пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сетей связи на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

Экономичность. Волокно изготовляется из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенная в природе и является, в отличие от меди, недорогим материалом. В настоящее время стоимость оптического волокна и медной пары соотносятся как 2:5.

Длительный срок эксплуатации. В настоящее время срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений стандартов приемо-передающих систем.

Возможность подачи электропитания. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля и используется только для передачи информационных сигналов. Однако в некоторых случаях требуется подать электропитание на узел информационной волоконно-оптической сети. В этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медными проводниками. Такие кабели нашли широкое применение как у нас в стране, так и за рубежом.

Указанные выше достоинства оптического волокна как среды для передачи информационных сигналов позволяет сформулировать следующие преимущества волоконно-оптических систем связи.

В волоконно-оптических системах связи передаваемые сигналы не искажаются ни одной из форм внешних электронных, электромагнитных или радиочастотных помех.

Волоконно-оптическая связь более предпочтительна перед другими видами связи, когда одним из основных требований является безопасность ее работы в детонирующих, воспламеняющихся или электронебезопасных средах и условиях.

Волоконно-оптические системы связи идеально подходят для передачи данных в цифровых вычислительных системах, цифровой телефонии и видеовещательных системах, которые требуют использования новых физических явлений и принципов для развития и улучшения характеристик  систем передачи.

Волоконно-оптические системы имеют также и недостатки, к которым в основном относятся дороговизна прецизионного монтажного оборудования, относительно высокая стоимость лазерных источников излучения и требования специальной защиты волокна. Однако преимущества от применения волоконно-оптических линий связи настолько значительны, что несмотря на перечисленные недостатки дальнейшие перспективы развития технологий ВОЛС в информационных сетях более чем очевидны.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте основные этапы развития волоконной оптики.

2. Из первых букв какой фразы составлено слово «Лазер»?

3. Каковы темпы роста скорости передачи в сетях за последние десятилетия?

4. Как называется частица света?

5. Из каких основных компонентов состоит волоконно-оптическая система передачи?

6. Какие длины волн используются в волоконно-оптических системах передачи?

7. В чем заключаются преимущества и недостатки использования оптических волокон в системах связи?

8. Какая динамика роста продаж волоконно-оптических кабелей?

9. Какая доля различных типов волоконно-оптических кабелей в мировой торговле?

10. Какие объемы производства оптических кабелей в России?

11. Перечислите основные российские предприятия, обеспечивающие порядка 80% выпуска оптических кабелей.

Оптическое волокно в промышленных системах связи / ЭФО corporate blog / Habr

В нашей предыдущей статье мы рассматривали основные типы оптических волокон. Среди всего прочего, обращалось внимание на то, что область применения оптического волокна не ограничивается лишь компьютерными сетями. Растет число областей промышленности, в которых используются волоконно-оптические линии связи (ВОЛС).

Компания «ЭФО» имеет большой опыт в поставке волоконно-оптических компонентов для индустриальных применений. И в этой статье мы рассмотрим основные особенности оптического волокна с точки зрения специфики промышленных условий и приведем некоторые конкретные примеры его применения в разных областях промышленности.

В промышленных применениях редко возникает необходимость в высокоскоростной передаче сигнала на большие расстояния. Типичные значения скорости передачи ограничиваются сотнями Мбит/с, а длина участка линии связи составляет десятки-сотни метров. Этим условиям вполне отвечают стандартные линии на основе витой пары или коаксиального кабеля, а также беспроводная связь. Однако в промышленных условиях на первый план выходят такие факторы, как безопасность и надежность передачи информации. И в этой связи дают о себе знать другие преимущества оптоволокна, существенно выделяющие его на фоне конкурентов. В первую очередь, речь идет о следующих двух особенностях оптического волокна:

• Невосприимчивость к электромагнитному излучению (ЭМИ). Промышленные процессы зачастую сопровождаются повышенным уровнем электромагнитного шума, источником которого могут быть силовые установки, радиоаппаратура и прочее технологическое оборудование. Электромагнитные помехи могут привести к искажению или даже полной потере данных. В отличие от своих конкурентов, оптическое волокно изготавливается из диэлектрического материала, а потому абсолютно невосприимчиво к электромагнитным помехам. Это позволяет прокладывать оптическую линию связи в непосредственной близости к источникам ЭМИ (в частности, к силовым линиям питания технологического оборудования). Вдобавок, оптоволокно само не создает электромагнитных полей в окружающем пространстве, поэтому между соседними оптоволоконными линиями связи не возникает перекрестных помех.
• Гальваническая развязка. Поскольку оптическое волокно является диэлектриком, между передающей и приемной стороной отсутствует электрический контакт. Это позволяет решить большое количество проблем, связанных с разностью потенциалов соединяемого оборудования, протеканием выравнивающего тока при неидеальном заземлении, а также скачками напряжения и другими аварийными ситуациями. Оптоволокно обеспечивает изоляцию значительно более высокого напряжения, чем оптроны и другие микросхемы, используемые для гальванической развязки.

По этим причинам во многих промышленных применениях наилучшим, а подчас и единственно верным, решением является использование оптического волокна. Большую популярность получили индустриальные линии связи на основе пластикового (полимерного) оптического волокна (POF), поскольку они полностью отвечают предъявляемым требованиям и в то же время привлекают сравнительно низкой стоимостью компонентов и простотой работы с POF.
Спектр возможных применений оптоволокна (в частности, POF) в промышленности очень разнообразен. Далее мы вкратце рассмотрим некоторые конкретные примеры, взятые из руководства по применению (Application Note), выпущенного компанией Avago Technologies (сейчас – Broadcom Limited), – одним из ведущих производителей индустриальных волоконно-оптических компонентов.

1. Управление технологическими процессами

В автоматизированных промышленных системах контроллеры получают сигналы управления от компьютера, который может быть удален на некоторое расстояние. Линии связи, по которым передаются эти сигналы, часто располагаются вдоль линий питания и вблизи технологических установок. Чтобы исключить влияние помех на передаваемые сигналы, применяется оптическое волокно. Так, при помощи оптоволокна можно организовать связь между компьютером и программируемым логическим контроллером (ПЛК), а также связь между несколькими ПЛК, объединенными в общую информационную сеть.

Другим примером является управление промышленными роботами, в конструкцию которых входят электродвигатели, соленоиды и прочие элементы, создающие электромагнитные помехи. Относительная гибкость оптического волокна позволяет также использовать его для связи между движущимися частями робота.

2. Системы сбора данных и измерительные системы

Большое значение на производстве также играют контрольно-измерительные системы. Зачастую необходимо проводить мониторинг различных параметров высоковольтного оборудования. Обработка полученных данных при этом осуществляется при помощи низковольтной микропроцессорной техники. Поэтому для передачи сигналов необходима надежная гальваническая развязка, которая достигается при использовании оптического волокна.

В автоматизированных контрольно-измерительных системах также широко используется интерфейсная шина GPIB (IEEE-488). При помощи оптоволокна можно увеличить расстояние между измерительным прибором и компьютером, обрабатывающим информацию. При этом обеспечивается гальваническая развязка и защита от электромагнитных помех, что критично с точки зрения точности измерений.

3. Защита от ударов молнии

Если технологическое оборудование расположено в разных помещениях, волоконно-оптическая связь между установками обеспечивает защиту от возможных повреждений, вызванных ударами молнии.

4. Силовое оборудование

Оптическое волокно используется не только для передачи информации от одних промышленных установок к другим. Оптоволоконные интерфейсы часто применяются внутри оборудования для связи между его частями. В качестве примера можно привести управление IGBT транзисторами, служащими в качестве электронных ключей в инверторах, импульсных источниках питания и других силовых приборах. Оптоволокно обеспечивает надежную гальваническую развязку между низковольтным микроконтроллером, формирующим управляющие сигналы, и затвором силового транзистора.

Другим устройством силовой электроники, в котором используется оптическое волокно, является статический компенсатор реактивной мощности (SVC – Static VAR Compensator), применяемый в высоковольтных системах для уменьшения нагрузки на распределительную сеть, улучшения качества подаваемой электроэнергии и снижения расходов. Основными элементами SVC являются конденсаторы с тиристорным переключением (TSC – Thyristor-Switched Capacitors) и реакторы с тиристорным управлением (TCR – Thyristor-Controlled Reactor), переключение которых приводит к возникновению сильных электромагнитных полей. Поэтому для передачи управляющих сигналов и сигналов обратной связи в SVC применяется оптическое волокно, невосприимчивое к помехам и обеспечивающую гальваническую развязку.

5. Установки альтернативной энергетики

Из рассмотренного выше видно, что оптоволокно может применяться на разных этапах одного и того же технологического процесса. В качестве примера рассмотрим такую набирающую популярность в последние годы область промышленности, как альтернативная энергетика. Наиболее распространенными направлениями на сегодняшний день являются ветроэнергетика и солнечная энергетика.

Ветрогенератор (ВЭУ – ветроэлектрическая установка) преобразует кинетическую энергию ветрового потока в электрическую энергию. В конструкцию ветрогенератора входят выпрямители, инверторы, трансформаторы и фильтры, осуществляющие необходимое преобразование выработанной электроэнергии для ее последующей передачи на большие расстояния. Соединение силового оборудования ветрогенераторов при помощи оптического волокна позволяет исключить влияние скачков напряжения и электромагнитных помех на передаваемые сигналы. Волоконно-оптические компоненты могут располагаться в непосредственной близости к оборудованию и силовым линиям. Оптическое волокно может применяться в следующем оборудовании ветровой электростанции:

• Драйверы затвора силовых транзисторов в выпрямителях и инверторах.
• Приборные и коммуникационные панели.
• Блоки управления турбиной.
• Системы мониторинга условий окружающей среды и состояния оборудования.
• Информационные сети ветровых электростанций.

Аналогичным образом оптическое волокно применяется и в оборудовании электростанций на основе солнечных батарей, преобразующих солнечную энергию в электрический ток. Оптоволокно на солнечных электростанциях применяется в следующих системах:

• Драйверы затвора транзисторов в силовых инверторах.
• Приборные и коммуникационные панели.
• Оборудование автоматизации подстанций и релейной защиты.

6. Оптические системы дуговой защиты

Следующий пример использования оптического волокна несколько отличается от всех предыдущих, поскольку здесь оптоволокно выступает не просто как канал связи, а как основной элемент системы. Речь идет об оптических системах защиты от электрической дуги в комплектных распределительных устройствах (КРУ) электрических подстанций. Такие системы регистрируют оптическое излучение вспышки света, возникающей при дуговом коротком замыкании. Этот подход позволяет минимизировать время срабатывания выключателя в случае аварии. В качестве чувствительного элемента обычно используется линзовый оптический датчик, собирающий излучение вспышки и передающий по оптоволокну на управляющее устройство, или же волоконно-оптический датчик, представляющий собой отрезок оптоволокна в прозрачной оболочке, который регистрирует свет всей своей поверхностью. Управление датчиками может производиться удаленно. Подробнее об оптических системах защиты от дуговых замыканий можно прочитать здесь.

7. Другие автоматизированные системы

Необходимость в централизованном управлении различными установками возникает также и в других системах, не связанных с производством и энергетикой. Приведем два примера, в которых целесообразно использовать оптическое волокно.

Сеть POS-терминалов в магазинах, банках и других учреждениях. Использование оптоволокна для передачи информации между POS-терминалами и центральным компьютером гарантирует высокую скорость связи и сохранность данных по проведенным операциям. Особенно это важно на крупных площадях, где могут присутствовать источники сильных помех.

Игровые развлекательные центры. Оптоволокно также может быть использовано для автоматизации игровых развлекательных систем, а именно для связи центрального компьютера с игровыми автоматами, внутренних соединений автомата и связи между игровыми автоматами для многопользовательской игры.

8. Медицинское оборудование

Еще одна область, в которой активно применяется оптическое волокно, – это медицинское оборудование. Изолирующие свойства оптического волокна обеспечивают защиту пациента, персонала и электроники от высоковольтной части аппаратуры. В качестве примера можно привести рентгеновский аппарат. Для генерации излучения к рентгеновской трубке подводится высокое напряжение. Оптоволокно обеспечивает гальваническую развязку между источником высокого напряжения и низковольтным управляющим оборудованием. При этом также устраняется влияние электромагнитных помех, возникающих при переключении высоких токов и напряжений.

Конечно, невозможно перечислить всех возможных промышленных применений оптического волокна. Однако эта область телекоммуникаций активно развивается как во всем мире, так и в нашей стране.

Для реализации этих и других подобных систем передачи информации выпускаются индустриальные волоконно-оптические компоненты, отвечающие жестким условиям промышленности. Большую популярность среди разработчиков заслужили компоненты линейки Versatile Link, выпускаемые компанией Broadcom Limited (ООО «ЭФО» является официальным дистрибьютором Broadcom). Эта линейка компонентов предназначена для работы с пластиковым оптическим волокном и включает дискретные оптические передатчики и приемники, коннекторы, адаптеры (розетки) и POF патч-корды. Компоненты Versatile Link отличаются надежностью, экономичностью, а также простотой эксплуатации, благодаря чему могут использоваться практически в любых сферах промышленности.
В нашей следующей статье мы сделаем подробный обзор этой линейки компонентов. С ассортиментом продукции Versatile Link Вы можете ознакомиться на сайте компании «ЭФО», посвященном волоконно-оптическим компонентам – InFiber.ru:

---

Смотрите также

• 
  Пву осаго что это такое
• 
  Мастичная печать что это такое
• 
  Формирующееся пустое турецкое седло что это такое
• 
  Кровосмешение что это такое
• 
  Хешрейт что это такое
• 
  Клептомания что это такое
• 
  Лонг дринк что это такое
• 
  Термомагнитный расцепитель что это такое
• 
  Темный интернет что это такое
• 
  Болезнь альцгеймера что это такое и сколько с ним живут
• 
  Склероз тканей что это такое