2570

Затухания оптических волн в рассмотренных световодах могут составлять десятки децибел на километр, поэтому их целесообразно применять в оптических линиях связи на относительно небольшие расстояния.

6.4. Волноводные линии связи

Для передачи широкополосных сигналов на большие расстояния могут применяться волноводные линии связи (ВЛС). Они работают в диапазоне миллиметровых волн (30—100 ГГц), которые передаются по круглому волноводу диаметром 40—60 мм. В таких линиях связи применяются импульсные методы модуляции (ИKM-AM, ИКМ-ЧМ, ИКМ-ФМ), а также помехоустойчивые аналоговые методы модуляции типа ЧМ с большим индексом частотной модуляции.

Структурная схема ВЛС такая же, как у РРЛ. В ее состав входит каналообразующая аппаратура, передатчики, приемники и разделительные фильтры оконечных и промежуточных станций, но оконечные и промежуточные станции ВЛС соединены между собой линейным волноводом. К особенностям ВЛС относится прежде всего большая частотная емкость. В диапазоне частот 30—100 ГГц только по одному волноводу можно передавать несколько десятков широкополосных дуплексных стволов. Так, например, в полосе 250 МГц можно организовать 60 стволов.

Интервал между приемо-передающими станциями зависит прежде всего от характеристик сигнала, аппаратуры и параметров волновода. По сравнению с РРЛ прямой видимости этот интервал примерно в 2 раза меньше и не превышает 25 км.

Взаключение данного модуля отметим, что оптические, волноводные и световодные системы связи являются весьма перспективными. Некоторые из них уже нашли, а другие в ближайшее время найдут применение в качестве самостоятельных многоканальных систем или в качестве вставок в магистральные линии связи.

6.5.Оптоволоконные линии передачи

Воптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов

61

с очень большими скоростями. Это относительно надежный (защищенный) способ передачи, поскольку электрические сигналы при этом не передаются. Следовательно, оптоволоконный кабель нельзя вскрыть и перехватить данные, отчего не застрахован любой кабель, проводящий электрические сигналы. Кроме того, такие проблемы передачи информации по проводам как электромагнитные помехи, перекрестные помехи (переходное затухание) и необходимость заземления, полностью устраняются. Вдобавок, чрезвычайно уменьшается погонное затухание, позволяя протягивать оптоволоконные связи без регенерации сигналов на большие дистанции, достигающие 120 км.

Оптическое волокно – чрезвычайно тонкий стеклянный цилиндр, называемый жилой (core), покрытый слоем стекла, называемого оболочкой, с иным, чем у жилы, коэффициентом преломления. Иногда оптоволокно производят из пластика. Пластик проще в использовании, но он передает световые импульсы на меньшие расстояния по сравнению со стеклянным оптоволокном. Каждое стеклянное оптоволокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с отдельными коннекторами. Одно из них служит для передачи, а другое – для приема. Жесткость волокон увеличена покрытием из пластика, а прочность – волокнами из кевлара.

Оптоволоконный кабель идеально подходит для создания сетевых магистралей, и в особенности для соединения между зданиями, так как он нечувствителен к влажности и другим внешним условиям. Также он обеспечивает повышенную по сравнению с медью секретность передаваемых данных, поскольку не испускает электромагнитного излучения, и к нему практически невозможно подключиться без разрушения целостности.

Недостатки оптоволокна в основном связаны со стоимостью его прокладки и эксплуатации, которые обычно намного выше, чем для медной среды передачи данных. Эта разница стала привычной, тем не менее, в последние годы она стала сглаживаться. Но независимо от указанных преимуществ и недостатков применение оптоволокна приносит с собой другие проблемы, такие как процесс прокладки.

62

Разводка оптоволоконного кабеля в основном ничем не отличается от укладки медного, но присоединение коннекторов требует принципиально иного инструмента и технических навыков.

Существуют два различных типа оптоволоконного кабеля:

многомодовый или мультимодовый кабель, более

дешевый, но менее качественный;одномодовый кабель, более дорогой, но имеет

лучшие характеристики по сравнению с первым.

Суть различия между этими двумя типами сводится к разным режимам прохождения световых лучей в кабеле.

Водномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего он и достигают приемника одновременно, и форма сигнала почти не искажается. Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает свет только с такой же длиной волны (1,3 мкм). Дисперсия и потери сигнала при этом очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномодового кабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны. Такие приемопередатчики пока еще сравнительно дороги и недолговечны. Однако в перспективе одномодовый кабель должен стать основным типом благодаря своим прекрасным характеристикам. К тому же лазеры имеют большее быстродействие, чем обычные светодиоды. Затухание сигнала в одномодовом кабеле составляет около 5 дБ/км и может быть даже сниженодо1 дБ/км.

Вмногомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается. Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки 125 мкм (это иногда обозначается как 62,5/125). Для передачи используется обычный (нелазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем. Длина волны света в многомодовом кабеле равна 0,85 мкм, при этом наблюдается разброс длин волн около 30–50 нм. Допустимая длина

63

кабеля составляет 2–5 км. Многомодовый кабель – это основной тип оптоволоконного кабеля в настоящее время, так как он дешевле и доступнее. Затухание в многомодовом кабеле больше, чем в одномодовом и составляет 5–20 дБ/км.

Типичная величина задержки для наиболее распространенных кабелей составляет около 4 –5 нс/м, что близко к величине задержки в электрических кабелях.

Оптоволоконные кабели, как и электрические, выпускаются в исполнении plenum и non-plenum.

Оптоволоконный кабель известен уже долгое время, его поддерживали даже ранние стандарты Ethernet для пропускной способности 10 Мбит/с. Первый из них получил название FOIRL (Fiber-OpticInter-Repeater Link), а последующий -10BaseF. Несмотря на это, оптоволокно позиционируется как высокоскоростная сетевая технология, и сегодня фактически все применяемые протоколы Канального уровня используют его в той или иной форме.

Вот некоторые из них: Fast Ethernet(100BaseFX)

Gigabit Ethernet(1000BaseFX);/li>

Token Ring;

Fiber Distributed Data Interface(FDDI);

100VG-AnyLAN;

Asynchronous Transfer Mode;

Fibre Channel.

Как и медный, оптоволоконный кабель обычно применяется в сетях топологии "шина" или "звезда", хотя протокол FDDI популяризирует "двойное кольцо" (doublering), которое в целях обеспечения отказоустойчивости состоит из двух резервных "колец", по которым трафик передается в противоположных направлениях.

Свет и ток Из школьного курса физики нам известно, что свет или световая

волна проходит значительное расстояние с гораздо большей скоростью, чем электрический ток. Поэтому, в настоящий момент мы видим, что по мере развития оптоволоконных технологий, это преимущество все чаще ставится в основу возникновения новейших достижений в области волоконной оптики.

64

моды, которые проходят прямолинейно, быстрее добираются до конца тракта кабеля, другие – зигзагообразно и, следовательно, немного запаздывают. Этот временной диапазон прохождения разных волн или мододного излучения и называется межмодовой дисперсией.

Межчастотная дисперсия

Световые волны, помимо разного прохождения траектории, имеют и неодинаковый диапазон длин, отсюда, если вспомнить законы физики, становится понятно, почему короткие волны быстрее достигают конечной цели, чем длинноволновые. Эта разница во времени получила название межчастотной дисперсии.

Материальная дисперсия Если сердечник кабеля имеет неоднородные участки среды,

световые волны будут неодинаково совершать свою траекторию и, следовательно, придут к концу кабеля в разное время. Эта временная разница, проистекающая от зависимости распространения волн от неоднородности среды сердечника в световоде, называется материальной дисперсией.

Влияние дисперсии на пропускную способность канала

Любая дисперсия отрицательно влияет на ширину пропускания канала кабеля, так как импульсы на конце волокна, благодаря дисперсионному влиянию, становятся нечеткими, что влечет за собой увеличение интервалов между очередными сигналами. Решить эту проблему можно, если уменьшить число входящих в световод лучей света или мод.

Многомодовое ступенчатое волокно В зависимости от используемого типа сердечника кабеля,

различаются и вариации оптоволокна. Самым традиционным считается сердечник с кварцевым стеклом, содержащим равномерную плотность, у многомодового ступенчатого волокна эта плотность содержит ступенчатые слои. При большом радиусе такого световода эффект межмодовой дисперсии влияет на качество оптоволокна сильнее, чем межчастотная и материальная, поэтому в

66

расчетах ширины пропускаемости канала обращают внимание именно на межмодовую дисперсию.

Из всех распространенных типов диаметра сердечника волокна (100, 62.5 и 50 мк), наилучшими показателями в пропускной способности обладает 50-ти микронное оптическое волокно, с рабочими длинами волн 850 нм, 1300 нм и 1500 нм.

Многомодовое градиентное волокно Если для ступенчатого волокна, рассмотренного выше,

характерна равномерность плотности сердечника на всем протяжении световода, то для градиентного волокна плотность местами может меняться. Иявление межмодовой дисперсии намного ниже, по сравнению со ступенчатым волокном. Немного поясним. Поскольку плотность меняется, начиная от центральной части к внешнему радиусу световода, световые лучи, переходя из более плотной в менее плотную часть развивают большую скорость. Несмотря на приличную траекторию движения, они быстрее достигают конца кабеля с меньшим разбросом временного интервала между различными импульсами. Отсюда и ниже межмодовая дисперсия.

По аналогии с многомодовыми ступенчатыми волокнами, градиентные имеют те же диаметры 100, 62.5 и 50 мк, с частотами

850 нм, 1300 нм и 1500 нм.

Одномодовое волокно

В одномодовых волокнах, в отличие от многомодовых, по световоду меньшего диаметра (около 8 мк) распространяется единственный луч (мода) и в этом случае благодаря наличию одного импульса, а, следовательно, отсутствию межмодовой дисперсии, значительно возрастает пропускная ширина такого кабеля. В одномодовых также существуют варианты ступенчатого и градиентного волокна, последний, в нашем случае, имеет гораздо большую результативность в скорости прохождения и приема сигналов.

В плане стоимости одномодовые стоят существенно дороже и поэтому нашли свое применение в сфере телекоммуникации, в то

67

время как многомодовые с успехом используются в локальных компьютерных сетях.

Затухание сигнала, окна прозрачности Помимо проблем межмодовой и других дисперсий есть и

серьезная проблема в поддержании мощности посылаемых импульсов, поскольку в световой волне по закону оптики, наличествует эффект поглощения и рассеивания, что ведет к изменению в другой вид энергии и в преобразовании химических связей между элементами световода (кремний и кислород). Чтобы добиться оптимального соотношения между поглощением и рассеиванием, были выделены три окна в узких диапазонах длин волн, в которых наблюдается наименьшее затухание вследствие рассеивания луча.

Используемые длины волн Благодаря найденным окнам прозрачности стало возможным

использовать диапазоны длин в 850 нм, 1300 нми 1500 нм, причем первое значение более характерно для многомодового волокна, а 1500 нм – для одномодовых волокон.

Использование длины волны в 1500 нм обеспечивает довольно высокое качество передаваемого сигнала, которое опережает по скорости предыдущие длины. Оно обходится недешево, поскольку не все подключаемое оконечное оборудование может использовать подобный максимальный диапазон, требующий наличие лазерных источников.

Типы оптических волокон Существует два типа оптических волокон: многомодовые

(ММ) и одномодовые (SM), отличающиеся диаметрами световедущей сердцевины. Многомодовое волокно, в свою очередь, бывает двух типов: со ступенчатым и градиентным профилями и показателями преломления по его сечению.

В ступенчатом оптоволокне могут возбуждаться и распространяться до тысячи мод с различным распределением по сечению и длине оптоволокна. Моды имеют различные оптические пути и, следовательно, различные времена распространения по

68

оптоволокну, что приводит к уширению импульса света по мере его прохождения по оптоволокну. Это явление называется межмодовой дисперсией и оно непосредственно влияет на скорость передачи информации по оптоволокну. Область применения ступенчатых оптоволокон короткие (до 1км) линии связи со скоростями передачи информации до 100 Мбайт/с, рабочая длина волны излучения, как правило, 0,85 мкм.

Рис. 6.6. Многомодовое оптическое волокно

Рис. 6.7. Градиентный показатель преломления

Многомодовое оптическое волокно с градиентным показателем преломления отличается от ступенчатого тем, что показатель

69

преломления изменяется в нём плавно от середины к краю. В результате моды идут плавно, межмодовая дисперсия меньше.

Градиентное оптоволокно в соответствии со стандартам имеет диаметр сердцевины 50 мкм и 62,5 мкм, диаметр оболочки 125 мкм. Оно применяется во внутри объектовых линиях длиной до 5 км, со скоростями передачи до 100 Мбайт/c на длинах волн 0,85 мкм и 1,35 мкм.

Одномодовое оптическое волокно Стандартное одномодовое оптическое волокно имеет диаметр

сердцевины 9 мкм и диаметр оболочки 125 мкм. В этом оптоволокне существует и распространяется только одна мода (точнее две вырожденные моды сортогональными поляризациями), поэтому в нем отсутствует межмодовая дисперсия, что позволяет передавать сигналы на расстояние до 50 км со скоростью до 2,5 Гбит/с и выше без регенерации. Рабочие длины волн λ1=1,31 мкм и λ2=1,55 мкм.

Рис. 6.8. Одномодовое оптическое волокно

Окна прозрачности оптоволокна Говоря об окнах прозрачности оптического волокна, обычно

приводят такую зависимость.

70