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

Способы передачи сигналов различного типа, данных и команд управления по оптоволоконным линиям связи начали активно внедряться в последнее десятилетие прошедшего века. Однако достаточно долго они не могли составить серьезной конкуренции (по крайней мере, в сегменте ТСБ) коаксиальному кабелю и витой паре. Несмотря на такие недостатки, как высокие сопротивление и емкость, что существенно ограничивает дальность передачи сигнала, коаксиальный кабель и витая пара превалировали в системах безопасности. Сегодня ситуация начинает меняться, причем рискну утверждать, что перемены эти кардинальные. Нет, в небольших системах, где видео и сигналы управления требуется передавать на небольшие расстояния, коаксиальный кабель и витая пара по-прежнему незаменимы. В крупных и особенно распределенных системах у оптоволокна альтернативы практически нет.
Дело в том, что оптоволоконное оборудование сегодня стало гораздо доступнее по цене и тенденция к его дальнейшему удешевлению достаточно устойчива.
Так что волоконная оптика в настоящее время дает возможность предложить заказчику систем безопасности не только надежное, но и экономически выгодное решение. Использование светового луча для передачи сигнала, широкая полоса пропускания позволяют передавать сигнал высокого качества на значительные расстояния без использования усилителей и повторителей.
Основными преимуществами использования волоконной оптики, как известно, являются:
– более широкая полоса пропускания (до нескольких гигагерц), чем у медного кабеля (до 20 МГц);
– невосприимчивость к электрическим помехам, отсутствие «земляных петель»;
– низкие потери при передаче сигнала, ослабление сигнала составляет около 0,2–2,5 дБ/км (для коаксиального кабеля RG59 – 30 дБ/км для сигнала 10 МГц);
– не вызывает помех в соседних «медных» или других оптоволоконных кабелях;
– большая дальность передачи;
– повышенная безопасность передачи данных;
– хорошее качество передаваемого сигнала;
– оптоволоконный кабель миниатюрен и легок.

Принцип работы оптоволоконной линии
Волоконная оптика -–технология, в которой в качестве носителя информации используется свет, и не важно, о каком типе информации идет речь: аналоговом или цифровом. Обычно используется инфракрасный свет, а средой передачи служит стекловолокно.
Оптоволоконное оборудование может использоваться для передачи аналогового или цифрового сигнала различных типов.
В простейшем варианте исполнения оптоволоконная линия связи состоит из трех компонентов:
– волоконно-оптического передатчика для преобразования входного электрического сигнала от источника (например, видеокамеры) в модулированный световой сигнал;
– оптоволоконной линии, по которой световой сигнал передается на приемник;
– волоконно-оптического приемника, преобразующего сигнал в электрический, практически идентичный сигналу источника.
Источником распространяемого по оптическим кабелям света является светодиод (LED) (или полупроводниковый лазер – LD). На другом конце кабеля принимающий детектор преобразует световые сигналы в электрические. Волоконная оптика опирается на особый эффект – преломление при максимальном угле падения, когда имеет место полное отражение. Это явление происходит в том случае, когда луч света выходит из плотной среды и попадает в менее плотную среду под определенным углом. Внутренняя жила (нить) оптоволоконного кабеля имеет более высокий показатель преломления, чем оболочка. Поэтому луч света, проходя по внутренней жиле, не может выйти за ее пределы из-за эффекта полного отражения (рис. 1).Таким образом, транспортируемый сигнал идет внутри замкнутой среды, проделывая путь от источника сигнала до его приемника.
Остальные элементы кабеля лишь предохраняют хрупкое волокно от повреждений внешней средой различной агрессивности.

Стань участником Партнерской программы «Актив-СБ» и вы получите:

Рассрочку платежа на складские позиции (при условии предоставления полного пакета документов);

Размещение компании в разделе "Монтаж", при закупке оборудования ежемесячно на сумму более 100 000 руб;

Кэшбэк по Бонусной программе в размере до 5% от суммы покупок

Рис. 1 Волоконная оптика основывается на эффекте полного отражения

Физические параметры оптических волокон
Все распространенные типы волокон характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией.
Различают модовую и материальную дисперсии – искажения сигнала, вызванные особенностями распространения световых волн в среде.
Материальная дисперсия вызвана тем, что волны различной длины распространяются с различной скоростью, что связано с особенностями физического строения волокна. Данный эффект особенно заметен при использовании одномодового волокна. Уменьшение ширины полосы излучения источника и выбор оптимальной длины волны приводит к уменьшению материальной дисперсии.
Модовая дисперсия проявляется в многомодовом волокне из-за разницы длин путей, проходимых лучами различных мод. К ее уменьшению приводит уменьшение диаметра сердечника волокна, сокращение числа мод и применение волокна с градиентным профилем.
Затухание сигнала в оптоволоконном кабеле зависит от свойств материала и от внешних воздействий. Затухание характеризует потерю мощности передаваемого сигнала на заданном расстоянии, и измеряется в дБ/км, где децибел – логарифмическое выражение отношения мощности, выходящей из источника Р1, к мощности, входящей в приемник Р2, дБ = 10*log(P1/P2). Потери в 3 дБ означают, что половина мощности потеряна. Потеря 10 дБ означает, что только 1/10 мощности источника доходит до приемника, потери 90%. Волоконно-оптические линии, как правило, способны нормально функционировать при потерях в 30 дБ (прием всего 1/1000 мощности).
Есть два принципиально различных физических механизма, вызывающих данный эффект. Потери на поглощение. Связаны с преобразованием одного вида энергии в другой. Электромагнитная волна определенной длины вызывает в некоторых химических элементах изменение орбит электронов, что, в свою очередь, ведет к нагреву волокна. Естественно, что процесс поглощение волны тем меньше, чем меньше ее длина и чем чище материал волокна.
Потери на рассеяние. Причина снижения мощности сигнала в этом случаезначает выход части светового потока из волновода. Обусловлено это неоднородностями показателя преломления материалов. И с уменьшением длины волны потери рассеивания возрастают.

Рис. 2 Окна прозрачности оптических волокон

В теории лучших показателей общего затухания можно достичь на пересечении кривых поглощения и рассеивания. Реальность несколько сложнее и связана с химическим составом среды. В кварцевых волокнах (SiO2) кремний и кислород проявляют активность на определенной длине волны и существенно ухудшают прозрачность материала в двух окрестностях.
В итоге образуются три окна прозрачности (рис. 2), в рамках которых затухание имеет наименьшее значение. Самые распространенные значения длины волны:
0,85 мкм;
1,3 мкм;
1,55 мкм.
При аналоговой передаче чаще используются длины волн – 850 и 1310 мкм.
Именно под такие диапазоны разработаны специальные гетеролазеры, на которых основываются современные ВОЛС (волоконно-оптические системы связи).
В настоящее время оптоволокно с такой характеристикой уже считается устаревшим. Достаточно давно освоен выпуск оптоволокна типа AllWave ZWP (zero water peak, с нулевым пиком воды), в котором устранены гидроксильные ионы в составе кварцевого стекла. Такое стекло имеет уже не окно, а проем в диапазоне от 1300 до 1600 нм.
Все окна прозрачности лежат в инфракрасном диапазоне, т. е. свет, передающийся по ВОЛС, не виден глазу. Стоит заметить, что в стандартное оптоволокно можно ввести и видимое глазом излучение. Для этого применяют либо небольшие блоки, присутствующие в некоторых рефлектометрах, либо даже слегка переделанную китайскую лазерную указку. С помощью таких приспособлений можно находить переломы в шнурах. Там, где оптоволокно сломано, будет видно яркое свечение. Такой свет быстро затухает в волокне, так что использовать его можно только на коротких расстояниях (не более 1 км).

Аналоговая передача

В простейших передатчиках видеосигнала используется амплитудная модуляция (AM): интенсивность излучаемого света меняется пропорционально изменению амплитуды видеосигнала. Для получения более устойчивого результата, увеличения расстояния передачи сигналов, достижения лучшего соотношения сигнал/шум применяется частотная модуляция (FM).
Амплитудная модуляция (AM) – вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда. Интенсивность излучаемого света меняется пропорционально изменению амплитуды видеосигнала. Так как контролировать интенсивность излучения на высоком уровне достаточно трудно, даже небольшие ее изменения вносят значительные искажения в передаваемый сигнал.
Частотная модуляция (ЧМ) – вид аналоговой модуляции, при котором информационный сигнал управляет частотой световых импульсов. По сравнению с амплитудной модуляцией амплитуда остается постоянной.
Аналоговый способ применяется для передачи видео и аудиосигналов, сигналов управления, 10/100М Ethernet, контроля состояния контактов.
При этом надо заметить, что для передачи видео или аудиоинформации аналоговые устройства не самый удачный выбор. Передавать и принимать ее по ВОЛС с помощью аналогового оборудования бывает достаточно сложно. К тому же ценовые различия между аналоговым и аналогичным цифровым оборудованием незначительны.
Оборудование данного типа присутствует в ассортименте многих игроков рынка, с некоторыми моделями читатели смогут ознакомиться в обзорной части статьи.

S732DV (GE Security, Fiber Option)
Комплект аналоговых приемопередатчиков предназначен для передачи видео и данных по 1-му одномодовому или многомодовому оптоволокну на расстояние до 60 км. Отличительными особенностями устройства являются широкий диапазон рабочих температур (от -40 С до +75 С), технологии Plug-and-Play, CWDM, SMARTSä диагностика, позволяющая производить тестирование системы в режиме реального времени. На оборудование предоставляется гарантия 5 лет.

DE7400 (GE Security, серия EtherNAVä линейки IFS)

Серия 2-портовых приемопередатчиков рассчитана на передачу и прием данных со скоростями 10/100/1000 Мбит/с по многомодовому, одномодовому оптоволокну или по электрическому кабелю Cat 5. DE7400 отличается повышенной климатической защитой для работы при крайних значениях температуры (от -40 С до +85 С). Стандартной функцией является срабатывание контактов для инициирования удаленной тревоги при потере оптической связи. На коннекторе RJ-45 имеются светодиодные индикаторы статуса питания и скорости передачи данных. А также поддерживает протоколы RSTP, QoS/CoS, IGMP, VLAN, SNMP. Поддерживает стандарты IEEE 802.3, что делает возможным подключение любых устройств организации локальных сетей. На оборудование предоставляется пожизненная гарантия.
В линейке оборудования IFS имеется оборудование с различной комплектацией портов.

Приемник/передатчик OVT/OVR-1 («БИК-Информ»)
Аппаратура серии OVT/OVR-1(приемник/передатчик) предназначена для передачи аналоговых видеосигналов в реальном времени в системах видеонаблюдения на промышленных и протяженных объектах. Устройство позволяет передавать высококачественный цветной и ч/б видеосигналы по многомодовому оптическому волокну на расстояние до 5 км в полосе частот 25 Гц – 10 мГц при соотношении сигнал/шум не менее 5 дБ. Оборудование отличается высокой помехозащищенностью. Имеется встроенный генератор тестовых сигналов, системы АРУ (автоматическая регулировка уровня по уровню синхросигнала), низкое потребление тока – не более 85мА для передатчика и 75мА для приемника. Компактные размеры, позволяют размещать устройства как в монтажных шкафах на DIN-рейку, так и в небольших коммутационных коробках. Аппаратура не требует дополнительных настроек и может эксплуатироваться в диапазоне температур от -40 °C до +50 °C.

SFS10-100/W-80 (SF&T)

Комплект, состоящий из двух аналоговых приемопередатчиков, предназначен для организации 1-го канала данных Ethernet 10/100M по 1-му одномодовому оптоволокну. Данное устройство, последнее в серии SFS10-100/W-хх, позволяет увеличить расстояние передачи сигналов до 80 км. Режимы работы: дуплекс и полудуплекс.
Благодаря поддержке стандартов IEEE 802.3 10 Base-T/100Base-Tx/ 100Base-Fx возможно подключение большинства IP-устройств, используемых для организации локальных сетей, а также для построения систем видеонаблюдения.
Широкий диапазон рабочих температур (от -10 до +70 °С), поддержка Plug-and-play, отсутствие необходимости дополнительных настроек и использования аттенюаторов, а также компактные размеры (165 х 144 х 33 мм) делают инсталляцию устройств максимально быстрой и удобной. Модульная конструкция позволяет использовать SFS10-100/W-80 в качестве отдельных модулей и устанавливать в стойке.
На все оборудование SF&T предоставляется гарантия сроком на 3 года.

SVP-11T/12R
SVP-13T/14R («Спецвидеопроект»)
Устройства предназначены для передачи сигнала в системах телевизионного наблюдения на расстояния до 6–12 км. Комплекты из передатчика и приемника обеспечивают передачу одного композитного видеосигнала по многомодовому оптическому кабелю на длине волны 850 и 1310 нм.
Разрешение видеосигнала – 570 ТВЛ, отношение сигнал/шум на предельной дальности – не хуже 50 дБ, полоса частот: 50 Гц – 8 МГц. Система автоматической регулировки усиления постоянно поддерживает на выходе размах видеосигнала 1 В. Световая сигнализация показывает наличие или отсутствие видеосигнала. Устройства имеют малые габариты, низкое энергопотребление, снабжены элементами настенного крепления.
Устройства защищены от переполюсовки питания – при неправильном включении не выходят из строя. Работают в режиме plug and play – настройка и регулировка при их установке не требуется.
Приемники сигналов исполняются также в корпусе, предназначенном для установки в стандартные 19” стойки.

SVP-21T
SVP-22T («Спецвидеопроект»)

Передатчики видеосигнала по оптоволокну SVP-21T и SVP-22T предназначены для работы с камерами телевизионного наблюдения вне помещений. Герметичный кожух оснащен гермовводами и имеет степень защиты от атмосферных воздействий IP66. Рабочая температура от -35 до +50 °С. Сигнал передается на большие расстояния: до 6–12 км.
Передатчики SVP-21T и SVP-22T в комплекте с приемниками SVP-12R, SVP-14R, SVP-12-2Rack, SVP-14-2Rack обеспечивают передачу одного композитного видеосигнала по многомодовому оптическому кабелю на длине волны 850 и 1310 нм. Устройства выпускаются с питанием от сети переменного тока с напряжением 220 В или 24 В. Работают в режиме plug and play – настройка и регулировка при их установке не требуется. Система автоматической регулировки усиления в приемниках постоянно поддерживает на выходе размах видеосигнала 1 В.
В гермокорпусе имеется свободное пространство для кроссировки кабеля другого оборудования. Габаритные размеры: 200 х 150 х 55 мм.

На Хабре не так много статей, посвященных технологиям оптических линий связи. Совсем недавно появилась , были статьи о мощных системах DWDM , и краткая статья о применении системы CWDM . Я постараюсь дополнить эти материалы и рассказать Вам вкратце обо всех самых распространенных и доступных в России способах использования ресурса волоконно-оптических линий связи в сетях передачи данных и - совсем немножко - кабельного телевидения.

Начало. Свойства стандартного одномодового волокна G.652

Самое распространенное одномодовое оптическое волокно - это SMF G.652 разных модификаций. Практически наверняка, если у Вас есть волоконно-оптическая линия, она сделана из волокна G.652. У него есть ряд важных характеристик, которые надо иметь в виду.
Удельное (его ещё называют километрическим) затухание - то есть затухание одного километра волокна - зависит от длины волны излучения.

Википедия подсказывает нам следующее распределение:

В реальной жизни сейчас картина получше, в частности удельное затухание в окне 1310нм обычно укладывается в 0.35дБ/км, в окне 1550нм оно порядка 0.22-0.25дБ/км, а так называемый «водяной пик» в районе 1400-1450нм у современных волокон не так сильно выражен, либо вообще отсутствует.

Тем не менее, надо иметь в виду эту картину и само наличие этой зависимости.

Исторически диапазон длин волн, который пропускается оптическим волокном, делится на следующие диапазоны:

O - 1260…1360
E - 1360…1460
S - 1460…1530
C - 1530…1565
L - 1565…1625
U - 1625…1675
(цитирую по той же статье на Википедии).

С приемлемым приближением свойства волокна внутри каждого диапазона можно считать примерно одинаковыми. Водяной пик приходится, как правило, на длинноволновый конец E-диапазона. Ещё будем иметь в виду, что удельное (километрическое) затухание в O-диапазоне примерно в полтора раза выше, чем в S- и в С-диапазоне, удельная хроматическая дисперсия - наоборот, имеет нулевой минимум на длине волны в 1310нм и ненулевая в C-диапазоне.

Простейшие системы уплотнения - двунаправленная передача по одному волокну

Первоначально дуплексная волоконно-оптическая линия связи требовала для работы два волокна: по одному волокну шла передача информации в одну сторону, по другому волокну - в другую. Это удобно своей очевидностью, но довольно расточительно по отношению к использованию ресурса проложенного кабеля.

Поэтому, как только стала позволять технология, стали появляться решения для передачи информации в обе стороны по одному волокну. Названия подобных решений - «одноволоконные трансиверы», «WDM», «bi-directional».

В самых распространенных вариантах используются длины волн 1310 и 1550нм, соответственно из O- и C-диапазона. «В дикой природе» трансиверы на эти длины волн встречаются для линий до 60км. Более «дальнобойные» варианты делаются на другие комбинации - 1490/1550, 1510/1570 и тому подобные варианты с использованием окон прозрачности с мЕньшим удельным затуханием, чем в O-диапазоне.

Кроме вышеперечисленных пар длин волн, возможно встретить комбинацию 1310/1490нм - она используется, если одновременно с данными по этому же волокну передается сигнал кабельного телевидения на длине волны 1550нм; или 1270/1330нм - она используется для передачи 10Гбит/с потоков.

Мультиплексирование данных и кабельного телевидения

Раз уж я затронул тему КТВ, расскажу о нем ещё немного.

Для доставки сигнала кабельного телевидения от головной станции до многоквартирного дома сейчас тоже используется оптика. Для него используется либо длина волны 1310нм - здесь минимальная хроматическая дисперсия, то есть искажение сигнала; либо длина волны 1550нм - здесь минимальное удельное затухание и возможно применение чисто-оптического усиления с использованием EDFA. Если есть необходимость доставки на один дом одновременно и потока данных (интернет) и синала КТВ, нужно либо использовать два отдельных волокна, либо несложное пассивное устройство - фильтр FWDM.

Это обратимое устройство (то есть одно и то же устройсто используется как для мультиплексирования, так и для демультиплексирования потоков) с тремя выводами: под КТВ, одноволоконный трансивер и общий выход (см. схему). Таким образом можно строить сеть PON или Ethernet, используя для передачи данных длины волн 1310/1490, а для КТВ - 1550нм.

CWDM и DWDM

Об уплотнении CWDM уже вкратце рассказал theslim . От себя дополню лишь, что указанные в статье каналы на прием и передачу данных - это чистая условность, мультиплекору абсолютно всё равно, в какую сторону идет сигнал в каждом канале; а оптические приемники - широкополосные, они реагируют на излучение любой длины волны. Из важных моментов, которые надо иметь в виду при проектировании линии CWDM - это различие удельного затухания в волокне на разных каналах (см. первый раздел настоящей статьи), а также различие вносимого самим мультиплексором затухания. Мультиплексор сделан из последовательно соединенных фильтров, и если для первого в цепочке канала затухание может быть меньше одного децибела, то для последнего оно будет ближе к четырем (эти значения приведены для мультиплексора 1х16, на 16 длин волн). Также полезно помнить, что никто не запрещает строить двухволоконные CWDM-линии, просто объединив две пары мультиплексоров в один функциональный блок.
Кроме этого замечу, что вполне возможно часть частотного ресурса выделить под КТВ, передавая по одному волокну до семи дуплексных потоков данных одновременно с аналоговым телевидением.

Система DWDM принципиально ничем не отличается от CWDM, но - как говорится - «дьявол кроется в деталях». Если шаг каналов в CWDM - 20нм, то для DWDM он гораздо уже и измеряется в гигагерцах (самый распространенный сейчас вариант - 100ГГц, или около 0.8нм; также возможен устаревающий вариант с полосой 200ГГЦ и постепенно распространяются более современные - 50 и 25ГГц). Частотный диапазон DWDM лежит в C- и L-диапазоне, по 40 каналов в 100ГГц в каждом. Из этого следует несколько важных свойств DWDM-систем.

Во-первых, они значительно дороже CWDM. Для их использования требуются лазеры со строгим допуском по длине волны и мультиплексоры очень высокой избирательности.

Во-вторых, используемые диапазоны лежат в рабочих зонах оптических усилителей EDFA. Это позволяет строить длинные линии с чисто-оптическим усилением без необходимости оптоэлектронного преобразования сигнала. Именно это свойство привело к тому, что многие при слове «DWDM» сразу представляют себе именно сложные системы монстров телеком-рынка, хотя подобное оборудование можно использовать и в более простых системах.
И в-третих, затухание в C- и L-диапазонах минимально из всего окна прозрачности оптического волокна, что позволяет даже без усилителей строить линии бОльшей длины, чем при использовании CWDM.

Мультиплексоры DWDM - это так же пассивные устройства, как и мультиплексоры CWDM. Для числа каналов до 16 они также устроены из отдельных фильтров, и это довольно простые устройства. Однако мультиплексоры для бОльшего числа каналов делаются по технологии Arrayed Wavelength Grating , крайне чувствительной к изменениям температуры. Поэтому такие мультиплексоры выпускаются либо с электронной схемой термостабилизации (Thermal AWG), либо с применением специальных способов автокомпенсации, не требующих энергии (Athermal AWG). Это делает такие мультиплексоры более дорогими и нежными в эксплуатации.

Практические ограничения в волоконно-оптической связи

В заключение я немного расскажу об ограничениях, с которыми приходится иметь дело при организации связи по оптике.

Как совершенно справедливо отметил товарищ saul , первое ограничение - это оптический бюджет.
Дополню его некоторыми уточнениями.

Если мы говорим о двухволоконных линиях связи, расчет оптического бюджета достаточно сделать для одной длины волны - той, на которой будет вестись передача.

Как только у нас появляется волновое уплотнение (особенно в случае одноволоконных трансиверов или систем CWDM) - сразу надо вспомнить про неравномерность удельного затухания волокна на разных длинах волн и про затухание, вносимое мультиплексорами.

Если мы строим систему с промежуточными ответвлениями на OADM - не забываем посчитать затухание на OADM. Кстати, оно отличается для сквозного канала и выводимых длин волн.

Не забываем оставить несколько децибел эксплуатационного запаса.

Второе, с чем приходится иметь дело - это хроматическая дисперсия. Актуальной она по-настоящему становится для 10Гбит/с линий, и вообще говоря, о ней в первую очередь думает производитель оборудования. Кстати, именно дисперсия придает физический смысл упоминанию километров в маркетинговых названиях трансиверов. Специалисту эксплуатации просто полезно понимать, что есть такое свойство волокна и что кроме затухания сигнала в волокне картину портит ещё и дисперсия. Добавить метки

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.

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

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.