В основе построения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) положен принцип трансляции световых волн на большие расстояния. При этом электрические сигналы (видео сигналы от видеокамер, сигналы управления видеокамерами и данные), поступают на передатчик, и далее преобразуются в световые импульсы, передавая данные с минимальными искажениями.

Большое распространение волоконно-оптические линии получили благодаря целому ряду достоинств, которые отсутствуют при трансляции сигналов по медным кабелям (коаксиальные и витая пара) или по радио.

Основные достоинства оптоволокна (ВОЛС):

• широкая полоса пропускания
• малое затухание сигналов
• отсутствие электромагнитных помех
• дальность на десятки километров
• срок службы более 25 лет

Виды оптоволокна

При построении волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) используют многомодовое и одномодовое оптоволокно.

Оно состоит из ядра и оболочки. Материалом ядра служит сверхчистое кварцевое стекло. Удержание светового импульса происходит вследствие того, что коэффициент преломления материала ядра (N1) больше чем у оболочки (N2). Так происходит полное отражение светового луча внутри ядра оптоволокна.

Многомодовое оптоволокно 50/125 nm и 62,5/125 nm позволяет передавать одновременно несколько сотен разрешенных световых мод, вводимых под разными углами. Все разрешенные моды имеют разные траектории распространения и, соответственно, различное время распространения. Поэтому главный недостаток - большая величина модовой дисперсии, ограничивающая полосу пропускания, - из-за которого передатчик по оптоволокну имеет малую дальность. В волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) осуществляется трансляция данных на расстояние не более 4-5 км.

Для уменьшения модовой дисперсии и сохранения высокой полосы пропускания, на практике применяют волоконно-оптические линии с градиентным профилем показателя преломления сердцевины кабеля. В отличие от стандартных многомодовых волокон, имеющих постоянный профиль преломления материала ядра, такое оптоволокно имеет показатель преломления N, который плавно уменьшается от центра к оболочке.

Одномодовое оптоволокно 9/125 nm сконструировано таким образом, что в ядре может распространяться только одна, основная мода. Именно поэтому такие волокна имеют наилучшие характеристики, и наиболее активно используются при строительстве ВОЛС. Основные преимущества - малое затухание 0,25 db/км, минимальная величина модовой дисперсии и широкая полоса пропускания - благодаря которым обеспечивается бесперебойная трансляция электрических сигналов.

Оптоволоконные кабели применяются для высокоскоростной передачи данных во множестве отраслей, особенно в сфере телекоммуникаций. Но что именно представляет собой оптоволоконный кабель? Как он работает? Как он сконструирован? В этой статье мы постараемся дать ответы на все эти вопросы.

Что такое оптоволоконные кабели?

В целом оптоволоконные кабели мало чем отличаются от кабелей других типов. За тем исключением, что для передачи данных в них используется не энергия (электроны), а свет (фотоны). Оптоволоконная передача данных – это общий термин, обозначающий передачу информации в форме света.

Как устроены оптоволоконные кабели?

В основе оптоволоконного кабеля лежит сердцевина, состоящая из кварцевого стекла или пластикового волокна. Именно эта сердцевина служит основным проводником света внутри кабеля. Между сердцевиной кабеля и его оболочкой находится еще один слой, называемый «пограничным» (boundary layer). Он служит для того, чтобы отражать свет. Индекс отражения света (refractive index) напрямую влияет на скорость передачи светового луча.

Далее находится сама оболочка сердцевины, которая также выступает в качестве проводника лучей света, однако имеет меньший индекс отражения, нежели сердцевина . Оболочку покрывает следующий слой, называемый «буферным» (buffer). Его функцией является предотвращение образования влажности внутри сердцевины и оболочки.
И наконец, финальный слой – внешнее покрытие кабеля, которое защищает кабель от механических повреждений.

Как оптоволоконные кабели передают лучи света?

Для передачи данных по оптоволокну, входящий электрический сигнал конвертируется в световой импульс при помощи специального электрооптического конвертера. После этого световой луч начинает движение по кабелям. В финальной точке своего маршрута луч попадает в оптоэлектронный конвертер, где преобразуется в электронные сигналы.
Различные типы оптоволоконных кабелей имеют различный диаметр сердцевины. Сердцевины с большим диаметром могут передавать больше лучей. Оптоволоконные кабели можно изгибать, однако следует убедиться, что кабель не изогнут слишком сильно, поскольку в этом случае передача световых лучей внутри кабеля может быть нарушена.

Какие бывают типы оптоволоконных кабелей?

Существует несколько типов оптоволоконных кабелей. Рассмотрим их все.

Multi-mode fibres with step-index profile (Многомодовые кабели со ступенчатым показателем преломления)

Многомодовые кабели со ступенчатым показателем преломления являются самыми простыми оптоволоконными кабелями. Они состоят из стеклянного ядра, имеющего постоянный индекс отражения. Данный тип кабеля позволяет одновременно передавать несколько лучей, которые отражаются с различной интенсивностью и передаются по зигзагообразной траектории. Однако индекс отражения остается постоянным.
По причине того, что лучи многократно преломляются под различными углами, скорость передачи данных снижается. Кабели данного типа обеспечивают пропускную способность до 100 MHz и позволяют передавать сигналы на расстояние до 1 километра. Диаметры ядра кабелей данного типа обычно составляют: 100, 120 или 400 µm.
Multi-mode fibres with graded index (Многомодовые кабели с градиентным показателем преломления).

Также как и предыдущий тип кабеля, данный кабель позволяет одновременно передавать множество сигналов, однако сигналы внутри оптоволокна преломляются не зигзагом, а по параболической траектории, что позволяет существенно увеличить скорость передачи данных. К минусам данных кабелей можно отнести более высокую стоимость. Кабели данного типа обычно применяются для построения сетей высокоскоростной передачи данных.
Диаметры ядра: 50 µm, 62,5 µm, 85 µm, 100 µm, 125 µm, 140 µm.

Single-mode fibres (Одномодовые кабели)

Одномодовые оптоволоконные кабели имеют очень небольшой диаметр ядра и позволяют одновременно передавать только один сигнал. Отсутствие преломлений положительно сказывается на скорости и дистанции передачи данных. Одномодовые кабели стоят достаточно дорого, но обеспечивают отличные показатели пропускной способности и дальности передачи данных, до100(Gbit/s)км.

Каковы преимущества использования оптоволоконных кабелей?
По сравнению с обычными кабелями оптоволокно обеспечивает такие преимущества как:
Устойчивость к радиопомехам и перепадам напряжения
Повышенный уровень прочности
Высокоскоростная передача данных на большие расстояния
Устойчивость к электромагнитным помехам
Совместимость с кабелями других типов

МИР ЦИФРЫ И СТЕКЛА

ВВЕДЕНИЕ

У оптоволоконной связи много хорошо известных преимуществ над витой парой и коаксиальными кабелями, например, невосприимчивость к электрическим помехам и непревзойденно широкая полоса пропускания

За последнюю четверть века оптоволоконная связь стала широко распространенным методом передачи видео- и аудиосигнала, других аналоговых сигналов и цифровых данных. У оптоволоконной связи много хорошо известных преимуществ над витой парой и коаксиальными кабелями, например, невосприимчивость к электрическим помехам и непревзойденно широкая полоса пропускания. По этим и многим другим причинам волоконно-оптические системы передачи информации все глубже проникают в самые разные области информационных технологий.

Цифровые системы обеспечивают очень высокую производительность, гибкость и надежность, и стоят при этом не больше, чем аналоговые решения, на смену которым они приходят

Однако, несмотря на эти преимущества, в оптоволоконных системах до недавнего времени использовались те же самые аналоговые технологии передачи сигнала, что и в их медных предшественниках. Сейчас, когда появилось новое поколение аппаратуры, основанное исключительно на цифровых методах обработки сигналов, оптоволоконная связь вновь выводит телекоммуникации на совершенно новый уровень. Цифровые системы обеспечивают очень высокую производительность, гибкость и надежность, и стоят при этом не больше, чем аналоговые решения, на смену которым они приходят.

В этом пособии рассматривается техника цифровой передачи сигнала по оптоволоконным кабелям и ее экономические и технологические преимущества.

АНАЛОГОВАЯ ПЕРЕДАЧА ПО ОПТОВОЛОКНУ

Чтобы в должной мере оценить преимущества цифровых технологий, давайте вначале рассмотрим традиционные методы передачи аналоговых сигналов по оптоволокну. Для передачи аналоговых сигналов используют амплитудную (АМ) и частотную (ЧМ) модуляцию. В обоих случаях на вход оптического передатчика поступает низкочастотный аналоговый аудио- и видеосигнал или данные, которые преобразуются в оптический сигнал. Делается это по-разному.

В системах с амплитудной модуляцией оптический сигнал – это световой поток с интенсивностью, меняющейся в соответствии с изменениями входного электрического сигнала. В качестве источника света используются либо светодиоды, либо лазеры. К сожалению, и те и другие нелинейны, то есть в полном диапазоне яркостей от отсутствия излучения до максимального значения не соблюдается пропорциональность между входным сигналом и интенсивностью света. Тем не менее, именно такой способ управления используется в системах с амплитудной модуляцией. В результате возникают различные искажения передаваемого сигнала:

• снижение отношения сигнал/шум по мере роста длины кабеля;
• нелинейное дифференциальное усиление и фазовые ошибки при передаче видеосигнала;
• ограничение динамического диапазона аудиосигнала.

Для улучшения качества работы оптоволоконных систем передачи сигнала было предложено использовать частотную модуляцию, при которой источник света всегда либо выключен полностью, либо включен на полную мощность, а частота следования импульсов изменяется в соответствии с амплитудой входного сигнала. Для тех, кто знаком с частотной модуляцией сигналов в радиотехнике, применение здесь этого термина может показаться необоснованным, поскольку в контексте оптоволоконных систем это воспринимается как метод управления частотой самого светового излучения. Это не так, и в самом деле более правильно было бы использовать термин «фазоимпульсная модуляция» (ФИМ), но в области оптоволоконной техники устоялась именно такая терминология. Следует всегда помнить, что слово «частотная» в названии метода модуляции означает частоту следования импульсов, а не частоту несущих их световых волн.

При амплитудной модуляции уровень входного сигнала представляется интенсивностью светового луча

При частотной модуляции уровень входного сигнала представляется частотой следования световых импульсов
Рис. 1. Сравнение амплитудной и частотной модуляции

Хотя частотная модуляция устраняет многие проблемы управления яркостью излучателя, свойственные системам с АМ, у нее есть и свои трудности. Одна из них – известные в ЧМ-системах перекрестные помехи. Они наблюдаются, в частности, при передаче нескольких сигналов с частотной модуляцией по одному оптоволокну, например, при использовании мультиплексора. Перекрестные помехи возникают в передатчике или приемнике как результат нестабильности настройки важных схем фильтрации сигнала, предназначенных для разделения несущих частот. Если фильтры настроены некачественно, то частотно-модулированные несущие взаимодействуют друг с другом и искажаются. Инженеры, специализирующиеся на оптоволоконных системах, могут создать ЧМ-системы, в которых вероятность возникновения перекрестных помех сведена к минимуму, но любое усовершенствование конструкции влечет за собой возрастание стоимости приборов.

Еще один тип искажений называется интермодуляцией. Как и перекрестные помехи, интермодуляция возникает в системах, предназначенных для передачи сразу нескольких сигналов по одному оптоволокну. Интермодуляционные искажения возникают в передатчике чаще всего как результат нелинейности в цепях, общих для различных ЧМ-несущих. Как следствие, до объединения нескольких несущих в один оптический сигнал они действуют друг на друга, снижая точность передачи исходного сигнала.

ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ

Как и в аналоговых системах, на передатчики цифровых систем поступает низкочастотный аналоговый аудио- и видеосигнал или цифровые данные, которые преобразуются в оптический сигнал. Приемник получает оптический сигнал и выдает электрический сигнал исходного формата. Различие состоит в том, как сигналы обрабатываются и передаются от передатчика к приемнику.

Рис. 2. Цифровая система передачи аналогового сигнала

В чисто цифровых системах входной низкочастотный сигнал сразу поступает на аналого-цифровой преобразователь, который входит в состав передатчика. Там сигнал преобразуется в последовательность логических уровней – нулей и единиц, называемую цифровым потоком. Если передатчик многоканальный, то есть рассчитан на работу с несколькими сигналами, то несколько цифровых потоков объединяются в один, и он управляет включением и выключением одного излучателя, которое происходит с очень высокой частотой.

На приемном конце происходит обратное преобразование сигнала. Из комбинированного цифрового потока выделяются индивидуальные потоки, соответствующие отдельным передаваемым сигналам. Они поступают на цифро-аналоговые преобразователи, после чего выдаются на выходы в исходном формате (рис. 2).

Чисто цифровая передача сигнала имеет массу преимуществ над традиционными АМ- и ЧМ-системами – от универсальности и более качественного сигнала до меньшей стоимости монтажа. Давайте рассмотрим некоторые из преимуществ более подробно и попутно обсудим выгодные как для установщика систем, так и для их пользователя экономические показатели.

ТОЧНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА

В аналоговых системах с амплитудной модуляцией сигнал теряет качество пропорционально пути, пройденному по оптоволокну. Этот факт в сочетании с тем, что АМ-системы работают только с многомодовыми световодами, ограничивает применение таких систем сравнительно небольшими расстояниями передачи. ЧМ-системы работают несколько лучше: в них качество сигнала хотя и снижается, но в не очень длинных линиях остается примерно постоянным, резко снижаясь лишь при достижении некоторой предельной длины. Только в полностью цифровых системах гарантируется сохранение качества сигнала при передаче по оптоволоконной линии связи независимо от расстояния между передатчиком и приемником и количества передаваемых каналов (конечно, в пределах возможностей системы).

В аналоговых системах с амплитудной модуляцией сигнал теряет качество пропорционально пути, пройденному по оптоволокну. Этот факт в сочетании с тем, что АМ-системы работают только с многомодовыми световодами, ограничивает применение таких систем сравнительно небольшими расстояниями передачи

Точность воспроизведения передаваемого сигнала представляет значительную проблему при разработке систем для организации нескольких каналов передачи по одному оптоволокну (мультиплексоров). Например, в аналоговой системе, рассчитанной на передачу четырех каналов видео- или аудиосигнала, для того, чтобы уложиться в полосу пропускания системы, приходится ограничивать полосу, отводимую отдельным каналам. В цифровых системах не приходится идти на такой компромисс: по одному световоду можно передавать один, четыре и даже десять сигналов без снижения качества.

БОЛЕЕ ВЫСОКОЕ КАЧЕСТВО ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ

Рис. 3

Передача аналоговых сигналов в цифровой форме обеспечивает более высокое качество, чем чисто аналоговая. Искажение сигнала при таком способе передачи может происходить только при аналого-цифровом и обратном цифро-аналоговом преобразовании. Хотя никакое преобразование не идеально, современные технологии настолько совершенны, что даже недорогие АЦП и ЦАП обеспечивают гораздо более высокое качество видео- и аудиосигнала, чем можно достичь в аналоговых АМ- и ЧМ-системах. Это легко видно из сравнения отношений сигнал-шум и нелинейных искажений (дифференциальной фазы и дифференциального усиления) цифровых и аналоговых систем, предназначенных для передачи сигналов одного формата по оптоволокну одинакового типа на одной и той же длине волны.

Цифровые технологии предоставляют инженерам невиданную ранее гибкость при создании оптоволоконных систем. Теперь для различных рынков, задач и бюджетов легко подобрать нужный уровень производительности. Например, меняя разрядность аналого-цифрового преобразователя, можно влиять на необходимую для передачи сигнала полосу пропускания системы, и, как следствие, общую производительность и стоимость. При этом другие свойства цифровой системы – отсутствие искажений и независимость качества работы от длины линии – сохраняются вплоть до максимального расстояния передачи. При разработке аналоговых систем инженеры всегда находятся в клещах между стоимостью системы и ее техническими характеристиками, пытаясь сбалансировать их без ущерба для критически важных параметров передаваемых сигналов. В цифровых системах масштабирование систем и управление их производительностью и стоимостью – гораздо менее сложная задача.

НЕОГРАНИЧЕННОЕ РАССТОЯНИЕ ПЕРЕДАЧИ

Другое преимущество цифровых систем над аналоговыми предшественниками – их способность восстанавливать сигнал, не внося в него дополнительных искажений. Такое восстановление выполняется в специальном приборе, называемом репитером или линейным усилителем.

Преимущество, предоставляемое цифровыми системами, очевидно. В них сигнал может быть передан на расстояния, значительно превосходящие возможности АМ- и ЧМ- систем, при этом разработчик может быть уверен, что принятый сигнал точно совпадает с переданным и соответствует требованиям технического задания.

По мере прохождения света по оптоволокну его интенсивность постепенно снижается и, в конце концов, становится недостаточной для детектирования. Если же немного не доходя до того места, где свет становится слишком слабым, установить линейный усилитель, то он усилит сигнал до его исходной мощности, и его можно будет передавать дальше на такое же расстояние. Важно отметить, что в линейном усилителе восстанавливается цифровой поток, что не оказывает никакого влияния на качество закодированного в нем аналогового видео- или аудиосигнала независимо от того, сколько раз выполнялось восстановление в линейных усилителях на пути следования сигнала по длинной оптоволоконной линии.

Преимущество, предоставляемое цифровыми системами, очевидно. В них сигнал может быть передан на расстояния, значительно превосходящие возможности АМ- и ЧМ-систем, при этом разработчик может быть уверен, что принятый сигнал точно совпадает с переданным и соответствует требованиям технического задания.

МЕНЬШАЯ СТОИМОСТЬ

Оценивая те многочисленные преимущества, которыми обладают цифровые оптоволоконные системы, можно предположить, что они должны стоить гораздо дороже традиционных аналоговых систем. Однако это не так, и пользователи цифровых систем, напротив, экономят свои деньги.

На конкурентном рынке всегда найдется производитель, предлагающий цифровое качество по цене аналоговой системы

Стоимость цифровых компонентов существенно снизилась за последние годы, и изготовители оборудования смогли разработать и предложить к продаже изделия, которые стоят так же или даже дешевле, как и аналоговые приборы предыдущего поколения. Конечно, некоторые фирмы хотят убедить общественность в том, что превосходное качество цифровых систем можно получить только за дополнительную плату, но на деле они просто решили не делить сэкономленное со своими клиентами. Но на конкурентном рынке всегда найдется производитель, предлагающий цифровое качество по цене аналоговой системы.

Цифровые системы позволяют по одному кабелю передавать больший объем информации, тем самым снижая потребность в нем

На стоимость установки и эксплуатации оптоволоконной системы влияют и другие факторы. Наиболее очевидный из них - затраты на кабель. Цифровые системы позволяют по одному кабелю передавать больший объем информации, тем самым снижая потребность в нем. Преимущество особенно хорошо заметно там, где надо одновременно передавать сигналы различных типов, например, видео и звук или звук и данные. Без особых проблем инженеры смогут сконструировать цифровую систему с приемлемой стоимостью, в которой по одному оптоволокну будут передаваться сигналы различных типов, например, два канала видео и четыре канала звука. При использовании аналоговых технологий, скорее всего, пришлось бы делать две отдельные системы, или, как минимум, использовать два раздельных кабеля для передачи аудио- и видеосигналов.

Из-за меньшего количества компонентов, которые могут со временем выйти из строя, цифровые системы гораздо более стабильны и надежны

Даже в случаях, когда по одному оптоволокну надо передавать несколько однотипных сигналов, цифровые системы предпочтительнее, поскольку работают более надежно и обеспечивают более высокое качество сигнала. Например, в цифровом видеомультиплексоре можно передать десять каналов с одинаково высоким качеством, а в аналоговой системе такое вообще невозможно.

Следует учитывать и неизбежные за годы эксплуатации оптоволоконных систем расходы на техническое обслуживание и ремонт. И здесь преимущество за цифровыми системами. Во-первых, для них не требуется первоначальная настройка после монтажа – передатчик и приемник просто соединяются оптоволоконным кабелем, и система готова к работе. Аналоговым системам, как правило, требуется подстройка под параметры конкретной линии передачи, учитывающая ее длину и интенсивность сигнала. Дополнительное время на регулировку влечет за собой дополнительные затраты.

Передатчики и приемники для цифровых систем стоят дешевле, расход кабеля меньше, эксплуатационные расходы ниже

Из-за меньшего количества компонентов, которые могут со временем выйти из строя, цифровые системы гораздо более стабильны и надежны. Для них не потребуется повторная на- стройка, а поиск неисправности займет гораздо меньше времени, поскольку в них нет перекрестных искажений, дрейфа параметров и других недостатков, свойственных традиционным аналоговым системам.

Подведем итог. Передатчики и приемники для цифровых систем стоят дешевле, расход кабеля меньше, эксплуатационные расходы ниже. Цифровые оптоволоконные системы обеспечивают очевидное экономическое преимущество на всех уровнях.

ВЫВОДЫ

Как оптоволоконная технология имеет много преимуществ по сравнению с традиционными медными проводами и коаксиальными кабелями, так и цифровая передача информации продвигает оптоволоконную технологию на несколько ступеней вверх, давая пользователям целый набор новых полезных качеств. Цифровые системы обладают уникальными характеристиками: точностью передачи сигнала на всей длине линии связи, минимальными вносимыми искажениями (в том числе отсутствием перекрестных искажений и интермодуляции), возможностью многократного восстановления цифрового потока при его передаче по длинной линии без ущерба для качества закодированного в нем аналогового сигнала. Это гарантирует уровень верности воспроизведения аналогового сигнала, недостижимый для аналоговых систем.

Цены на компоненты цифровых и аналоговых оптоволоконных систем сопоставимы, а с учетом затрат на монтаж, эксплуатацию и техническое обслуживание цифровые системы дают очевидную экономическую выгоду.

Разрабатывая новую оптоволоконную систему, не тратьте время на анализ преимуществ и недостатков цифровых и аналоговых систем, поскольку выбор совершенно очевиден: цифровые системы лучше с любой точки зрения. Гораздо полезнее будет ограничиться только ими и подобрать те изделия, которые наилучшим образом соответствуют вашим потребностям. Даже среди цифровых систем существует огромное разнообразие решений. Вот некоторые вопросы, которые помогут вам при их оценке:

• насколько проста установка системы?
  • если передатчик и приемник настраиваются пользователем, то насколько просто это сделать и какие существуют проблемы?
• компактна ли, прочна и надежна конструкция приборов?
• выпускаются ли приборы в настольных корпусах или предназначены для установки в стойку? Существуют ли варианты в обоих типах корпусов?
  • пригодны ли приборы для использования как с одномодовыми, так и многомодовыми световодами?
  • обладает ли изготовитель достаточным опытом и репутацией на рынке предлагаемых им изделий?
  • как соотносится цена изделия с ценой традиционных аналоговых систем? (Цифровые приборы в производстве не дороже аналоговых и их стоимость не должна быть выше).

Анализ рынка и сравнение характеристик аналогичных изделий позволит вам в итоге подобрать элементы цифровых оптоволоконных систем, которые верой и правдой будут служить вам в течение многих лет.

Введение

В настоящее время телекоммуникационная индустрия претерпевает беспрецедентные изменения, связанные с переходом от голосоориентированных систем к системам передачи данных, что является следствием бурного развития Internet технологий и разнообразных сетевых приложений. Поэтому одним из основных требований, предъявляемых к транспортным сетям для передачи данных, является возможность быстрого увеличения их пропускной способности в соответствии с ростом объемов трафика.

Цифровая связь по оптическим кабелям, приобретающая всё большую актуальность, является одним из главных направлений научно-технического прогресса.

Преимущества цифровых потоков в их относительно лёгкой обрабатываемости с помощью ЭВМ, возможности повышения отношения сигнал/шум и увеличения плотности потока информации.

Преимущества оптических систем передачи перед системами передачи работающими по металлическому кабелю заключается в:

Возможности получения световодов с малым затуханием и дисперсией, а значит увеличение дальности связи;

Широкой полосе пропускания, т.е. большой информационной ёмкости;

Оптический кабель не обладает электропроводностью и индуктивностью, то есть кабели не подвергаются электромагнитным воздействием;

Пренебрежимо малых перекрестных помех;

Низкой стоимостью материла оптического кабеля, его малый диаметр и масса;

Высокой скрытности связи;

Возможности усовершенствования системы при полном сохранении совместимости с другими системами передачи.

Линейные тракты волоконно-оптических систем передачи строятся как двухволоконные однополосные одно кабельные, одноволоконные одно полосные однокабельные, одноволоконные многополосные одно кабельные (со спектральным уплотнением).

Учитывая, что доля затрат на кабельное оборудование составляет значительную часть стоимости связи, а цены на оптический кабель в настоящее время остаются достаточно высокими, возникает задача повышения эффективности использования пропускной способности оптического волокна за счёт одновременной передачи по нему большего объёма информации.

Цель работы - рассмотрение различных способов увеличения пропускной способности оптического волокна.

Принципы передачи сигналов по оптическому волокну и основные параметры оптических волокон

Принципы передачи сигналов по оптическому волокну

В основе применения оптических волоконных сетей лежит принцип распространения световых волн по оптическим световодам на большие расстояния. При этом электрические сигналы, несущие информацию, преобразуются в световые импульсы, которые с минимальными искажениями передаются по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС). Большое распространение подобные системы получили благодаря целому ряду достоинств, которые есть у ВОЛС по сравнению с системами передачи, использующие медные кабели или радиолинии в качестве среды передачи. К числу преимуществ ВОЛС следует отнести широкую полосу пропускания, обусловленную высокой несущей частотой - до 10 14 Гц. Такая полоса дает возможность передавать потоки информации со скоростью несколько терабит в секунду. Важным преимуществом ВОЛС являются также такие факторы, как малое затухание сигналов, позволяющее, при использовании современных технологий, строить участки оптических систем в сто и более километров без ретрансляторов, высокая помехозащищенность, связанная с малой восприимчивостью оптического волокна к электромагнитным помехам, и многое другое.

Оптические волокна - один из основных компонентов ВОЛС. Они представляют собой комбинацию материалов, имеющих различные оптические и механические свойства.

Внешняя часть волокна изготавливается обычно из пластмасс или эпоксидных композиций, сочетающих высокую механическую прочность и большой коэффициент преломления света. Этот слой обеспечивает механическую защиту световода и его устойчивость к воздействию внешних источников оптического излучения.

Основная часть волокна состоит из сердцевины и оболочки. Материалом сердцевине служит сверхчистое кварцевое стекло, которое и является основной средой передачи оптических сигналов. Удержание светового импульса происходит вследствие того, что коэффициент преломления материала сердцевины больше, чем у оболочки. Таким образом, при оптимально подобранном соотношении коэффициентов преломления материалов происходит полное отражение светового луча внутрь сердцевины.

Для передачи свет вводится под небольшим углом в торец оптического волокна. Максимальный угол проникновения светового импульса в сердечник волокна б 0 называется угловой апертурой оптического волокна. Синус угловой апертуры называется числовой апертурой NA и рассчитывается по формуле:

Из приведенной формулы следует, что числовая апертура световода NA зависит только от показателей преломления сердцевины и оболочки - n 1 и n 2 . При этом всегда выполняется условие: n 1 >n 2 (рисунок 1).

Рисунок 1 - Распространение света в оптическом волокне. Числовая апертура световода.

Если угол падения света б больше, чем б 0 , то луч света полностью преломляется и не попадает в сердечник оптического волокна (рис.2а). Если угол б меньше, чем б 0 , то происходит отражение от границы материалов сердечника о оболочки, и световой луч распространяется внутри сердечника (рис.2б).

Рисунок 2 - Условия распространения света в оптическом волокне

Скорость распространения света в оптическом волокне зависит от коэффициента преломления сердечника волокна и определяется как:

где С - скорость света в вакууме, n - коэффициент преломления сердечника.

Типичные коэффициенты преломления материала сердечника лежат в пределах 1,45 - 1,55.

Для того, чтобы передавать свет по оптическим волноводам, необходим источник строго когерентного света. Для увеличения дальности передачи ширина спектра передатчика должна быть как можно меньше. Для этой цели особенно подходят лазеры, которые, благодаря индуцированному излучению света, позволяют поддерживать постоянную разность фаз при одинаковой длине волн. В связи с тем, что диаметр сердцевины волокна сравним с длиной волны оптического излучения, в световоде возникает явление интерференции. Это может быть док5азано тем, что свет распространяется в стекле сердцевины только под определенными углами, а именно в направлениях, в которых введенные световые волны при их наложении усиливаются. Возникает так называемая конструктивная интерференция. Разрешенные световые волны, которые могут распространяться в оптическом волокне, называются модами (или собственными волнами). В соответствии с типами распространения световых лучей, оптические волокна делятся на многомодовые, то есть использующие ряд световых волн, и одномодовые, в которых происходит распространение только одного светового луча. Для описания процессов распространения света в оптических волокнах используются несколько основных параметров.

1. Общие понятия электромагнитных излучений
2. Понятие "Свет"

а. История
б. Общие сведения
в. Развитие
4. Заключение

1. Общие понятия электромагнитных излучений.
Электромагнитное излучение - это движение возмущений электромагнитного поля в пространстве. Существуют невидимые и видимые электромагнитные излучения. Электромагнитное излучение порождается движущимися электрическими зарядами, и распространяется во все направления и практически во всех средах. Они переносятся без затуханий насколько угодно большие расстояния.

Электромагнитное излучение подразделяется на:
. радиоволны (начиная со сверхдлинных);
. инфракрасное излучение;
. видимый свет;
. ультрафиолетовое излучение;
. рентгеновское излучение и жесткое (гамма-излучение).

Электромагнитная шкала (спектр) - совокупность всех диапазонов частот электромагнитного излучения. В качестве спектральной характеристики используют следующие величины:
. Длина волны;
. Частота колебания;
. Энергия фотона.

Спектр делится на следующие участки:
. Низкочастотные колебания;
. Радиоволны;
. Инфракрасное излучение;
. Видимое излучение (cвет);
. Ультрафиолетовое излучение;
. Рентгеновское излучение;
. Гамма-излучение.
Электромагнитные волны широко используются в наше время в радио и электротехнике, современных приборах. Радиоволны применяются для радиосвязи, телевидения, радиолокации. Инфракрасное излучение используют в печах, обогревателях и всех приборах для обогревания и сушки. Ультрафиолетовое излучение используют для обеззараживания помещений, изучений и исследований атомов и молекул. Широко используется в криминалистике для нахождения биологических следов. Рентгеновские лучи используют в медицине для диагностики заболеваний и для лечения некоторых болезней.

2. Понятие "Свет".
Свет - это видимое электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбуждённом состоянии веществом. Но также за свет принимают и примыкающие к нему широкие области спектра: ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. Длины волн видимого излучения лежат в диапазоне от 380 до 780 нанометров. Свет изучает раздел физики под названием оптика. Свет может рассматриваться либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой постоянна, либо как поток фотонов — частиц, обладающих определённой энергией, импульсом, собственным моментом импульса и нулевой массой.
Свету присущи все свойства электромагнитных волн:
. Отражение;
. Преломление;
. Интерференция;
. Дифракция;
. Поляризация.
Свет может оказывать давление на вещество, поглощаться средой, вызывать явление фотоэффекта. Свет отклоняется от прямолинейного направления. Имеет конечную скорость распространения в вакууме 300 000 км/с, а в среде скорость убывает. Помимо падения скорости, свет начинает преломляться и может начать распадаться на световой спектр при определенных обстоятельствах. Это объясняется явлением интерференции. Именно интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей и тонких масляных пленок на воде. Световые волны частично отражаются от поверхности тонкой пленки, частично проходят в нее, и мы наблюдаем на поверхности радужный рисунок.
Дифракция света - это отклонение световой волны от прямолинейного распространения. Это хорошо видно, когда в комнате занавешенной темными, плотными шторами в занавеске сделать небольшую дырочку, свет пойдёт как конус вершина которого будет находиться в нашей проделанной дырочке. Преломление света мы можем наблюдать, поставив в стакан с водой ложку. Она будет поделена на границе между воздухом и водой.
Мы наблюдаем окружающий мир только потому, что человек может воспринимать видимый спектр электромагнитных волн. Это происходит из-за того, что специальные рецепторы, находящиеся в сетчатке глаза могут реагировать на световые излучения. И мы можем различать зрительные образы: цвет, форму, величину, расстояние до предмета и многое другое. Человеческое зрение обладает рядом свойств:
. Световой чувствительностью;
. Остротой;
. Полем обзора;
. Бинокулярностью;
. Контрастностью и адаптацией.

3. Применение света в оптоволокне.
а. История
Свет широко используют в технике, но особое развитие в наши дни получил в оптоволоконных сетях. История передачи данных на расстоянии с помощью света и прозрачных материалов началась в 1934 году. Норман Френч предложил преобразовывать голос в световые сигналы и передавать его по стеклянным стержням. Через несколько лет, швейцарский физик Жан-Даниэль Колладон, провел эксперимент с передачей света через “параболический жидкий поток”, то есть воду.
Оптоволокно современного вида изобрели в 1954 году. Это сделали два английских физика Нариндер Сингх Капани, Гарольд Хопкинс и голландский исследователь Абрахам Ван Хил. О своих изобретениях они объявили в одно время, поэтому всех троих считают основателями этой технологии. Кстати, оптоволокно назвали оптоволокном через два года после изобретения.
Первые оптоволоконные кабели имели большую потерю света. Уменьшить потери удалось Лоуренсу Кертису в конце 50-ых годов. После того, как в 1962 году была открыта лазерная технология, оптоволокно получило еще один толчок в развитии.
б. Общие сведения
Волоконно-оптическая связь — вид проводной электросвязи, 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. Но от истории вернемся к современности. Сегодня, оптоволоконный кабель представляет собой самый быстрый способ передачи данных. Это и не удивительно. В качестве переносчика информации выступает свет, а он, как известно, имеет самую высокую скорость перемещения во Вселенной (300 тысяч километров 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. Если сравнивать с другими способами передачи информации, то порядок величин Тбайт/с просто недостижим. Еще один плюс таких технологий — это надежность передачи. Передача по оптоволокну не имеет недостатков электрической или радиопередачи сигнала. Отсутствуют помехи, которые могут повредить сигнал, и нет необходимости лицензировать использование радиочастоты. Однако не так много людей представляют себе, как вообще происходит передача информации по оптоволокну, и тем более не знакомы с конкретными реализациями технологий. Вначале рассмотрим, как вообще передается информация по оптоволокну. Оптоволокно — это волновод, по которому распространяются электромагнитные волны с длиной волны порядка тысячи нанометров (10-9 м). Это область инфракрасного излучения, не видимого человеческим глазом. И основная идея состоит в том, что при определенном подборе материала волокна и его диаметра возникает ситуация, когда для некоторых длин волн эта среда становится почти прозрачной и даже при попадании на границу между волокном и внешней средой большая часть энергии отражается обратно внутрь волокна. Тем самым обеспечивается прохождение излучения по волокну без особых потерь, и основная задача — принять это излучение на другом конце волокна. Конечно, за столь кратким описанием скрывается огромная и трудная работа многих людей. Не надо думать, что такой материал просто создать или что этот эффект очевиден. Наоборот, к этому нужно относиться как к большому открытию, так как сегодня это обеспечивает лучший способ передачи информации. Нужно понимать, что материал волновода — это уникальная разработка и от его свойств зависит качество передачи данных и уровень помех; изоляция волновода разработана с учетом того, чтобы выход энергии наружу был минимален. Что же касается конкретно технологии, называемой «мультиплексинг», то это означает, что вы одновременно передаете несколько длин волн. Между собой они не взаимодействуют, а при приеме или передаче информации интерференционные эффекты (наложение одной волны на другую) несущественны, так как наиболее сильно они проявляются при кратных длинах волн. Здесь же речь идет об использовании близких частот (частота обратно пропорциональна длине волны, поэтому все равно, о чем говорить). Устройство под названием «мультиплексор» — это аппарат для кодирования или декодирования информации в формат волн и обратно.
в. Развитие
Плавно перейдя к тенденциям развития этой технологии, мы наверняка не откроем Америки, если скажем, что DWDM является наиболее перспективной оптической технологией передачи данных. Это можно связать в большей мере с бурным ростом Интернет - трафика, показатели роста которого приближаются к тысячам процентов. Основными же отправными точками в развитии станут увеличение максимальной длины передачи без оптического усиления сигнала и реализация большего числа каналов (длин волн) в одном волокне. Сегодняшние системы обеспечивают передачу 40 длин волн, что соответствует 100-гигагерцевой сетке частот. На очереди к выходу на рынок устройства с 50-гигагерцевой сеткой, поддерживающие до 80 каналов, что соответствует передаче терабитных потоков по одному волокну. И уже сегодня можно услышать заявления лабораторий фирм-разработчиков, таких как Lucent Technologies или Nortel Networks, о скором создании 25-гигагерцевых систем.
Однако, несмотря на столь бурное развитие инженерной и исследовательской мысли, рыночные показатели вносят свои коррективы. Прошедший год ознаменовался серьезным падением оптического рынка, что подтверждается существенным падением курса акций Nortel Networks (29% за один день торгов) после объявления ею о трудностях со сбытом своей продукции. В аналогичной ситуации оказались и другие производители.
В то же время, если на западных рынках наблюдается некоторое насыщение, то восточные только начинают разворачиваться. Наиболее ярким примером служит рынок Китая, где десяток операторов национального масштаба наперегонки строят магистральные сети. Китайцам нельзя не позавидовать - они теперь будут строить дома только в непосредственной близости от оптоволоконного кабеля. Министерство промышленности и информационных технологий Китая недавно издало соответствующий циркуляр. Кроме того, согласно этой новой политике, для поддержания здоровой конкуренции, услуги подключения должны предоставляться абонентам сразу несколькими провайдерами. Правда, скорость соединения никак не оговаривается.
Подобная политика конечно выгодна и китайским операторам. В 2012 году China Unicom (Hong Kong) Ltd (вторая по величине телекоммуникационная компания Китая) обеспечила подключение к своим FTTH-сетям для 10 миллионов китайских домохозяйств. А по информации Economic Information Daily, в 2015 году к ним присоединятся еще примерно 40 миллионов. Постановление китайского правительства вступает в силу с 1 апреля 2013 года. А в США, тем временем, обсуждается инициатива компании Google под названием "Google Fiber". Суть в том, что Google собирается предлагать FTTH-соединение на скорости 1 гигабит в секунду для конечного потребителя. Ранее, скорость 1 Гбит/с использовалась только в некоторых научных, государственных и военных учреждениях. А теперь речь идет про общенациональную сеть с такой скоростью связи. В качестве пилотной версии "гуглволокно" начали внедрять в Канзасе. И хотя работа в этом направлении продолжается, ждать появления общенациональной оптоволоконной сети Google придется еще долго. Компания Goldman Sachs оценивает стоимость этого проекта в сумму более 140 миллиардов долларов.
Напомню, что в США оптоволоконных сетей и так уже построено немало. Наиболее известный пример - компания Verizon, которая много лет строит собственную оптоволоконную инфраструктуру, и уже потратили на нее 15 миллиардов долларов, обеспечив подключение для примерно 15 миллионов домов. Но Verizon предлагает скорость 50 Мбит/с, которая может быть увеличена пока лишь до 100 Мбит/с. И если «у них» вопросы построения магистральных сетей уже практически решены, то в нашей стране, как это ни печально, пока просто нет необходимости в толстых каналах для передачи собственного трафика.
Сегодня на российском рынке высокоскоростного подключения к Интернету выделяется два основных конкурирующих направления - это домашние оптоволоконные сети и ADSL-подключение.
Домашние сети - это определенная разновидность «выделенного подключения», обеспечивающего подключение домашнего компьютера к сети через оптоволоконный кабель, который провайдер подводит к каждой квартире. Технология ADSL, в свою очередь, относится к виду широкополосных подключений, которые функционируют по принципу телефонного модема, преобразуя аналоговую телефонную линию в высокоскоростной канал передачи с помощью специальной технологии. Таким образом, главное отличие двух конкурирующих технологий - технологическое.
Тем не менее, прошедшая в начале декабря выставка «Ведомственные и корпоративные сети связи» выявила огромный интерес отечественных связистов к новым технологиями, и к DWDM в том числе. И если такие монстры, как «Транстелеком» или «Ростелеком», уже имеют транспортные сети масштаба государства, то нынешние энергетики только начинают их строить. Так что, несмотря на все неурядицы, за оптикой — будущее. И немалую роль здесь сыграет DWDM. Стоимость использования волоконно-оптической технологии уменьшается, что делает данную услугу конкурентоспособной по сравнению с традиционными услугами. Технология оптоволоконной передачи данных будет развиваться до тех пор, пока не будет придумана альтернатива. Из будущих конкурентов видится только квантовая сеть, но эта технология находится еще в рамках становления и пока не страшна оптоволокну.
Что касается минусов, то он один - дороговизна оборудования и инструментов монтажа оптоволокна. Сам кабель стоит в десятки раз меньше, чем передатчики, приемники и усилители сигнала. Кроме того, для спайки кабелей, используются специальные инверторы, некоторые из них стоят как дорогой автомобиль.

4. Заключение .
В наше время информационных технологий, государство начало особое внимание уделять процессу информатизации общества. Этот процесс не мог не затронуть такой аспект общественной жизни, как образование. Сегодня все больше бюджетных средств тратится на поднятие уровня технического оборудования в школах, для улучшения информационной образованности молодежи. Эти улучшения также касаются качества Интернет-соединения в образовательных учреждениях. А самый прогрессивный и быстрый способ Интернет-соединения - оптоволоконные системы. Их внедрение в образование позволит добиться огромного скачка в информационной образованности студентов и школьников, что в будущем позволит воспитать отличнейших специалистов в сфере международных Интернет-систем, которые поднимут нашу страну на более высокий уровень развития в мире. Параллельно с этим развитие телекоммуникации поможет воспитать людей, способных поддерживать стабильность и безопасность наших интернет ресурсов.
С моей точки зрения, изучение поставленной проблемы имеет большое будущее и я предполагаю продолжить работу над данной темой уже будучи студентом. Я считаю, что изучая современные технологии, участвуя в различного уровня исследованиях, конференциях, можно стать конкурентоспособным специалистом.

Литература:
1) Большая Российская энциклопедия.
2) Газета "White Paper".
3) Журнал "КомпьютерПресс №1 2001.
4) Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф. Рубин А. Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения.
5) Листвин А. В., Листвин В. Н., Швырков Д. В. Оптические волокна для линий связи. М.: ЛЕСАРарт, 2003.
6) Отчет фирмы Alcatel-Lucent за 28 СЕНТЯБРЯ 2009.
7) Советская энциклопедия.
8) Тарасов К. И. Спектральные приборы.