Файл: Физикотехнический институт.docx

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.

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

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

Данная система передачи информации, как правило, используется при постройке рабочих объектов в качестве внешних магистралей, объединяющих разрозненные сооружения или корпуса, а также многоэтажные здания. Она может использоваться и в качестве внутреннего носителя структурированной кабельной системы (СКС), однако законченные СКС полностью из волокна встречаются реже – в силу высокой стоимости строительства оптических линий связи.
Применение ВОЛС позволяет локально объединить рабочие места, обеспечить высокую скорость загрузки Интернета одновременно на всех машинах, качественную телефонную связь и телевизионный приём.

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

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

---

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

высокоскоростной доступ в Интернет;

услуги телефонной связи;

услуги телевизионного приёма.

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

2.2 Принцип передачи оптических сигналов по волокну

Принцип передачи оптических сигналов по линии связи рассмотрим на примере простейшей системы передачи информации.

Система состоит из передатчика оптических сигналов и приемника оптических сигналов, рис. 2.1. В передатчике электрические сигналы x(t), поступившие на его вход от источника сообщений, преобразуются в оптические сигналы y(t). Для этого в передатчике имеется источник света (полупроводниковый светодиод или лазер) и оптический модулятор. С выхода передатчика оптические сигналы y(t) вводятся в оптическое волокно, распространяются по нему и поступают в приемник.



Рисунок 2.1. Волоконно-оптическая система передачи сообщений

В приемнике происходит преобразование модулированных оптических сигналов y′(t) в электрические x′(t). Для этого в приемнике имеется фотодетектор (p-i-n или лавинный фотодиод). Кроме фотодетектора в оптический приемник входят также усилители сигналов, демодулятор и другие элементы. На выходе приемника электрические сигналы x′(t) должны быть тождественны сигналам x(t), введенным в передатчик. Однако вследствие искажений оптических сигналов при их распространении по ОВ сигналы на входе y(t) и выходе y′(t) не всегда тождественны. Вследствие этого не тождественны также и сигналы x(t) и x′(t). Допустимая степень искажения как электрических x′(t), так и оптических y′(t) сигналов определяется назначением системы передачи информации.

2.3 Принципы построения волоконно-оптической линии связи

Для увеличения пропускной способности оптоволокна используется мультиплексирование. Мультиплексирование применительно к оптоволоконным линиям связи это передаче нескольких сигналов с разной длинной волны по одному оптоволоконному кабелю.

---

Для создания многих каналов связи и разделения направлений передачи может быть применено временное (мультиплексирование с разделением по времени рис.2.2) и частотное (мультиплексирование с разделением по длине волны рис.2.3) волновое разделения направления передач.



Рисунок 2.2. Мультиплексирование с разделением по времени





Рисунок 2.3. Мультиплексирование с разделением по длине волны
На рисунке 2.4 представлены примеры простейших однонаправленных двухканальных передач по одному ОВ. При частотном (волновом) разделении направлений передачи передатчик содержит два источника излучения (при N-канальной связи – N источников излучения). Электрические сигналы A1, A2, Б1, Б2, ... поступающие на входы Авх и Бвх передатчиков, преобразуются в оптические сигналы. Сигналы A1, A2, ... передаются по ОВ, на длине волны λ1, а сигналы Б1, Б2, ... – на длине волны λ2.

В фотоприемнике пришедший по ОВ групповой оптический сигнал разделяется на два монохроматических пучка с соответствующими длинами волн. Затем в фотодетекторе пучок света длиной волны λ1 преобразуется в электрические сигналы А1, А2, ..., а с длиной волны λ2 – в электрические сигналы Б1, Б2, ..., которые поступают соответственно на выходы Авых и Бвых.

При передаче по одному ОВ оптических сигналов в двух направлениях передатчик и фотоприемник с фотодетекторами имеются на обоих концах ОВ. Причем передача сообщений в одном направлении происходит на волне λ1, а в обратном – на λ2.

При временном разделении направлений передачи сигналы передаются по одному ОВ поочередно, не совпадая по времени. В случае двухканальной передачи на входы Авх и Бвх передатчика поступают две серии электрических импульсовА1, А2, ..., и Б1, Б2, ..., которые, через распределитель, поочередно вводятся в оптический передатчик.

Модулятор передатчика преобразует полученную последовательность электрических импульсов в оптические импульсы с одной длиной волны света. Оптические импульсы, пришедшие по ОВ, преобразуются имеющимся в приемнике фотодетектором в электрические импульсы, которые распределяются затем на две серии импульсов, поступающих соответственно на выходы Авых и Бвых.

---

Рисунок 2.4. Примеры простейших однонаправленных двухканальных передач по одному ОВ

Кроме того, из-за несовершенства оптического тракта передачи происходят искажения оптических сигналов в целом. Поэтому для увеличения дальности связи по ОВ вдоль линейного тракта через определенные расстояния устанавливаются линейные оптические усилители или оптико-электронные регенераторы, рис 2.5.



Рисунок 2.5. Структурная схема оптоволоконной линии передач с оптическими усилителями

2.3 Структура оптического волокна

Основой оптоволоконного кабеля являются оптические волокна, по которым передается информационный поток. Количество волокон варьируется от одного до нескольких сотен, в зависимости от назначения кабеля. Оптоволокно изготавливается из различных видов стекла с добавками легирующих материалов, изменяющих коэффициент преломления светового луча, рис. 2.6.



Рисунок 2.6. Примеры внутренней структуры оптоволоконных кабелей

Оптическое волокно разделяется на сердцевину и оболочку с разными показателями преломления. Диаметр сердцевины составляет 9 микрометров (одномодовое ОВ), 50 микрометра (многомодовое ОВ). После этого идет слой первичной оболочки. Поверх оболочки наносится тонкий слой специального лака, улучшающий эксплуатационные характеристики стекловолокна.
Волокна группируются в оптические модули, защищающие стеклянные нити от внешних воздействий. Каждый модуль – это пластиковая трубка с волокнами внутри. ВОК может состоять из одного или нескольких модулей, что зависит от общего количества волокон. Модульная группировка ОВ в сочетании с цветовой маркировкой значительно упрощает их идентификацию на концах оптического кабеля.

По центру ВОК часто размещается силовой элемент – стеклопластиковый стержень, демпфирующий нагрузки, возникающие при монтаже и в процессе эксплуатации ВОК. В некоторых типах кабеля оптические модули покрываются гидрофобным гелем для защиты от влаги. Поверх гелевого наполнителя укладывается слой тонкой пленки из полиэтилена.

---

Следующей буферной прослойкой служит полиэтиленовая оболочка, отделяющая оптические модули от армирующей брони. Броня используется в оптических кабелях, предназначенных для прокладки в подземных коммуникациях и грунте. Броневое покрытие может быть металлическим, состоящим из стальной проволоки или ленты и диэлектрическим, состоящим из стеклопластиковых прутков или слоя кевларовых нитей.

Бронирование эффективно защищает от грызунов и воздействия опасных механических нагрузок, таких как растяжение и раздавливание.

Первым и наиболее важным рубежом защиты оптоволоконного кабеля является наружная оболочка, изготавливаемая из негорючего полиэтилена повышенной плотности. Надежность внешнего покрытия напрямую влияет на длительность беспроблемной службы ВОК. Поэтому, к качеству его изготовления предъявляются самые жесткие требования.

Работа оптического кабеля основана на передаче модулированного светового потока. Преобразование полезного электрического сигнала в свет (и обратное) выполняется в оптическом трансивере, являющемся составной частью оборудования, работающего на оптоволоконных линиях связи. Световой луч, формируемый лазером или полупроводниковым светодиодом, может входить в оптоволокно двумя способами, рис 2.7:

• 
  под углом 0° — одномодовое волокно, длина волны 1300 или 1500 нм;
  
• 
  под небольшим углом — многомодовое волокно, длина волны 950 нм.
  

Рисунок 2.7. Способы подачи светового сигнала в ОВ

Лучи света, вошедшие в волокно под разными углами, распространяются в нем по разным траекториям (модам) и на разные расстояния. Свет, входящий под нулевым углом, проходит по центру сердцевины ОВ, образуя только одну моду. Распространение луча, вошедшего под углом, отличается многократными отражениями от оболочки волокна с образованием нескольких мод, достигающих конца оптического кабеля за разное время.



Рисунок 2.7. Схема передачи сигналов в разных типах ОВ

ВОК с одномодовыми волокнами обеспечивает большую дальность передачи без усиления/регенерации сигнала, благодаря меньшему затуханию. Так же они могут передавать значительно большие объемы информации. Однако, требования к производству таких кабелей значительно выше, что увеличивает их цену.

2.4 Вывод

---