Волоконно- оптические кабели

⇐ ПредыдущаяСтр 34 из 43Следующая ⇒

Волоконно-оптический кабель (ВОК) состоит из нескольких волокон и упрочняющего материала типа пластика, стекловолокна или металла. Кабели общего назначения не имеют огнестойких свойств, поэтому могут быть проложены только в огнестойких кабелепроводах.

Оптоволокно(или просто волокно) состоит из тонкой сердцевины для передачи светового сигнала, окруженной прозрачной оболочкой для удержания света внутри сердцевины (рис. 8.43). Сердцевина и оболочка имеют разные показатели преломления света, соответственно п₁, n₂. Если показатели преломления оболочки выбираются всегда постоянной величины, то показатель преломления сердцевины в общем случае может зависеть от радиуса R. На рис. 8.43 показаны пути прохождения по волокну двух лучей 1 и 2, попадающих в волокно под разными углами. Угол ϴ _А является максимальным, при котором вводимые излучения из свободного пространства испытывают полное внутреннее отражение и распространяются по волокну. При этом угол падения ϴ _С на границу двух сред будет критическим, при котором преломленный луч идет вдоль границы сред (0₂ =90°). Если угол падения на границу меньше критического угла падения ϴ _С (луч 2), то при каждом внутреннем отражении часть энергии сигнала преломляется и уходит в оболочку, что приводит к затуханию светового сигнала. Если же угол падения больше критического, то при каждом отражении вся энергия сигнала от границы возвращается в сердцевину, благодаря полному внутреннему отражению. Лучи, траектории которых полностью лежат в оптически более плотной среде, называются направляемыми. Поскольку энергия направляемых лучей не рассеивается наружу, то такие лучи могут распространяться на большие расстояния.

Мода — это каждый световой луч, распространяемый в волокне, или его световой путь. Применяют одномодовые или многомодовые волокна. В одномодовом волокне диаметр светонесущей жилы составляет 8—10 мкм и сравним с длиной световой волны X. В таком волокне при достаточно большой длине распространяется только один луч (одна мода). В стандартном многомодовом волокне диаметр светонесущей жилы составляет 50 и 62, 5 мкм, что значительно больше длины волны передачи. Это приводит к распространению множества различных типов световых лучей — мод. Большинство устройств волоконной оптики используют область инфракрасного спектра в диапазоне от 0, 8 до 1, 6 мкм в основном в трех окнах прозрачности: 0, 8; 1, 310 и 1, 55 мкм.

На рис. 8.44 показана общая картина распространения света по разным типам световодов: многомодовому ступенчатому (со ступенчатой характеристикой), многомодовому градиентному (с плавной характеристикой) и одномодовому ступенчатому.

По характеристикам зависимости мощности входного и выходного импульса Р от времени t (t₁ соответствует моменту появления импульса на входе, t₂ ^—на выходе волокна) видно, что одномодовое ступенчатое волокно обеспечивает прохождение импульса с наименьшим искажением и затуханием. В многомодовых волокнах на их выходах наблюдается дисперсия (рассеяние) волн, так как они перемещаются по путям разной длины и с разной скоростью. Таким образом, различные волны на выходе волокна будут в разное время.

Минимальная длина волны, при которой волокно поддерживает только одну распространяемую моду, называется длиной волны отсечки. Этот параметр характерен для одномодового волокна (рис. 8.44, в). Если рабочая дайна волны меньше длины волны отсечки, то имеет место многомодовый режим распространения света. В этом случае появляется дополнительный источник дисперсии — межмодовая дисперсия, ведущая к уменьшению полосы пропускания волокна.

По оптическому волокну передается не просто световая энергия, но также полезный информационный сигнал. В результате дисперсии происходит уширение импульсов. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться, накладываться друг на друга, так что становится невозможным их выделение при приеме. Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну.

Одномодовое волокно — оптоволокно с очень узкой сердцевиной с диаметром 10 мкм и меньше служит для скоростной передачи информации на большие расстояния. Благодаря тому, что диаметр сердцевины невелик, световой луч отражается от поверхности сердцевины гораздо реже, в результате этого — дисперсия меньше. Пропускная способность одномодового волокна составляет около 5 Гбит/с.

Многомодовое волокно — оптоволокно с диаметром сердцевины от 50 до 125 мкм. Этот наиболее распространенный тип волокна способен передавать несколько мод (независимых световых лучей) с различными длинами волн. Однако большой диаметр сердцевины приводит к тому, что световой поток отражается от поверхности сердцевины чаще, а это чревато сильной дисперсией. Дисперсия ограничивает пропускную способность и расстояние между повторителями. Пропускная способность многомодового волокна составляет примерно 2, 5 Гбит/с.

Конструкция волоконно-оптического кабеля должна отвечать следующим требованиям:

· защищать волокна от повреждений и разрушений в процессе производства, прокладки и эксплуатации;

· обеспечивать постоянство характеристики оптического волокна в процессе всего срока службы кабеля на уровне характеристик некаблированного волокна;

· обеспечивать прочностные характеристики кабеля такие же, как у электрического кабеля с тем, чтобы с ними можно было одинаково обращаться и использовать одни и те же механизмы для прокладки кабеля;

· обеспечивать идентификацию волокон кабелей при их соединении в процессе монтажа.

Основное отличие конструкции ВОК от электрических кабелей заключается в том, что они должны содержать упрочняющие (силовые) элементы. Сердечник электрического кабеля, состоящий из медных жил, может использоваться в качестве несущего нагрузку элемента, так как медь может удлиняться более чем на 10 % без разрушения. Иначе ведут себя оптические волокна, которые разрушаются при удлинении в несколько процентов. Волоконно-оптический кабель для защиты волокон от повреждений и дополнительных потерь из-за микроизгибов в процессе прокладки и эксплуатации конструируется с упрочняющими элементами, чтобы выдержать нагрузки растяжения и нагрузки от температурных расширений и укорочений. Это требует, чтобы большая часть сечения ВОК состояла из прочностных и поддерживающих элементов. Поэтому конструкции оптических кабелей включают в себя компромисс между компактностью и прочностью.

По назначению сети волоконно-оптические кабели связи можно разделить на четыре группы: междугородные, городские, объектовые и монтажные. Назначение междугородных и городских кабелей такое же, как и соответствующих электрических кабелей. Объектовые кабели служат для передачи информации внутри объекта, в частности, поста электрической и диспетчерской централизации, сортировочной горки, поезда, административных зданий. Применение этих кабелей особенно перспективно при создании: микропроцессорных систем автоматики и телемеханики; внутренних сетей кабельного телевидения; различных информационных сетей на станциях, в отделениях дороги; локальных вычислительных сетей. Внутриобъекто- вые кабели в сочетании со светодиодными датчиками могут использоваться для дистанционных и телеизмерений различных параметров.

Для защиты оптических волокон от механических воздействий в процессе изготовления, прокладки и эксплуатации кабелей возможны два конструктивных решения: наличие пустот между элементами сердечника кабеля, дающих им свободу перемещения; применение демпфирующих слоев между элементами.

В настоящее время используется пять типов кабелей с различной компоновкой кабельного сердечника (рис. 8.45): кабели повивной скрутки (рис. 8.45, о); пучковой скрутки (рис. 8.45, б); с профильным сердечником (рис. 8.45, в); ленточные кабели (рис. 8.45, г); кабёлис сердечником в виде общей для всех волокон центральной трубки (рис. 8.45, д).

Оптические волокна 5 образуют одно- или многоволоконные модули /, которые скручиваются вокруг кабельного сердечника 2 или собираются в пучок 4 из многоволоконных оптических модулей. Пластмассовая оболочка оптического кабеля 3 защищает сердечник кабеля от механических, тепловых и химических воздействий, а также от влаги.

Профильный сердечник 9 кабеля позволяет разместить волокна 5симметрично относительно упрочняющего элемента 2 (рис. 8.45, в). Оптические волокна могут располагаться в лентах б, которые слоями заполняют среднюю часть кабеля (рис. 8.45, г). Вместо лент среднюю часть кабеля может Заполнять пучок оптических волокон 7, помещенных в центральную трубку 8.

Скрутка оптических модулей может быть спиральная или SZ-скрутка, показанная на рис. 8.46. При SZ-скрутке величина радиуса кривизны изменяется вдоль оси кабеля и достигает максимума в точках смены направления скрутки. Эта скрутка обеспечивает более высокую стойкость к растягивающим усилиям. До середины строительной длины кабеля применяется направление скрутки Sj, далее — Z₂.

Для предотвращения распространения влаги подлине кабеля свободное пространство между элементами сердечника заполняется специальным гидрофобным компаундом (гелем). Если продольная водонепроницаемость не требуется, например, для кабелей внутренней прокладки, то необходимость в заполнении сердечника компаундом отпадает. Для предотвращения нежелательного воздействия компаунда на силовые элементы и оболочку кабеля сердечник изолируют от внешних элементов кабеля несколькими слоями тонкой пластмассовой пленки.

Упрочняющие элементы в оптических кабелях могут располагаться в сердечнике, оболочке или там и там. Упрочняющие элементы наиболее часто изготовляются из стали, арамидной пряжи (кевлара), стеклопластиковых стержней и синтетических высокопрочных нитей. Выбор материалов для упрочняющих элементов зависит от допустимого радиуса изгиба кабеля, доступных механических нагрузок, диапазона температур, в котором должен эксплуатироваться кабель.

Оболочка оптического кабеля служит для защиты сердечника кабеля от механических, тепловых и химических воздействий. Наибольшее применение в качестве материала оболочек получили полиэтиленовые и поливинилхлоридные (ПВХ).

Кабели с полиэтиленовой оболочкой используются при их наружной прокладке. Номинальная толщина полиэтилена составляет 2 мм.

Поливинилхлоридная оболочка применяется для кабелей внутренней прокладки в производственных зданиях и для кабелей наружной прокладки в агрессивных средах.

Электронные компоненты систем оптической связи

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), применяемые в волоконно-оптических системах, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Последние должны вводиться в оптоволокно с минимальными потерями. Производятся самые разнообразные ПОМ, отличающиеся по конструкции, а также по типу источника излучения. Одни работают на телефонном диапазоне частот с максимальным расстоянием до нескольких метров, другие передают сотни и даже тысячи мегабит в секунду на расстояния в несколько десятков километров.

Главным элементом ПОМ является источник излучения, к которому предъявляются следующие требования:

— излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна (0, 85; 1, 31 и 1, 55 мкм);

5 источник излучения должен выдерживать необходимую частоту модуляции для обеспечения требуемой скорости передачи информации;

6 источник излучения должен быть эффективным, то есть большая часть его излучения должна попадать в волокно с минимальными потерями;

7 источник излучения должен быть достаточно мощным, чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, но не на столько, чтобы излучение могло повредить волокно или оптический приемник;

8 температурные изменения не должны влиять на функционирование источника излучения;

9 стоимость источника излучения должна быть относительно невысокой.

В настоящее время используются два основных типа источников излучения: полупроводниковые лазерные диоды и светодиоды. Оба типа источников излучения весьма компактны и хорошо сопрягаются со стандартными электронными цепями. Лазерные диоды, выпускавшиеся 10 лет назад, обладали значительно меньшей надежностью по сравнению со светодиодами. Однако в настоящее время, благодаря совершенствованию конструкций и технологии изготовления, удалось значительно повысить надежность лазерных диодов и приблизить их к светодиодам по времени наработки на отказ, которое составляет до 50000 часов и более (5—8 лет).

На рис. 8.47 представлена структурная схема передающего оптоэлектронного модуля, составными элементами которого являются:

электрические интерфейсы ввода информации;

электрические преобразователи для преобразования поступающих электрических сигналов в оптические;

источник излучения светового луча, на который накладывается световой сигнал;

блоки оптического и температурного мониторинга для контроля параметров источника излучения и поддержания их в заданных пределах с помощью блоков охлаждения и тока накачки;

внутренний модулятор для формирования оптических модулированных потоков;

аттенюатор для осуществления снижения уровня излучения до необходимой величины;

оптические интерфейсы для вывода информации и ввода ее в оптический кабель.

В конструкцию ПОМ входит специальный держатель, который позволяет закрепить и защитить составные элементы передатчика.

Приемные оптоэлектронные модули (ПРОМ) служат для преобразования оптического сигнала, принятого из оптоволокна, в электрический. Основными функциональными элементами ПРОМ являются:

· фотоприемник, преобразующий полученный оптический сигнал в электрическую форму;

· каскад электрических усилителей, усиливающих сигнал и преобразующих его в форму, удобную и пригодную к дальнейшей обработке;

· демодулятор, воспроизводящий первоначальную форму электрического сигнала.

На рис. 8.48 приведены структурные схемы аналогового (рис. 8.48, а) и цифрового

(рис. 8.48, б) ПРОМ. Аналоговые. ПРОМ принимают аналоговый оптический сигнал, а на выходе выдают электрический аналоговый сигнал. К аналоговым приемникам предъявляют требования высокой линейности преобразования и усиления сигнала при минимуме побочных частот, в противном случае возрастают искажения сигнала. На протяженных линиях с большим количеством приемо-передающих узлов искажения и побочные шумы накапливаются, что снижает эффективность аналоговых многоретрансляционных линий связи.

При цифровой передаче информации не требуется очень точная ретрансляция форм импульсов. Цифровой приемник (рис. 8.48, б), включающий «Цепь принятия решения» или дискриминатор, имеющий установленные пороги на принятие сигналов О и 1, который распознает, какой сигнал пришел, устраняет шумы и восстанавливает необходимую амплитуду сигнала. Правильное выделение нужного сигнала может происходить при большом уровне шумов.

Различают синхронные и асинхронные режимы приема-передачи цифрового сигнала. При синхронном режиме поток информации между передатчиком и приемником носит непрерывный характер. Таймер блока регенерации приемника выделяет в приходящей серии импульсов специальные сигналы — синхроимпульсы, на основе которых приемник регулярно настраивает или подстраивает свои часы (таймер).

При асинхронном режиме данные передаются в виде организованных последовательностей импульсов — пакетов. В промежутках между пакетами линия молчит — сигнала нет. При этом режиме приемник имеет свой независимый таймер. Принимая начальные импульсы пакета (преамбулу), таймер настраивает «Цепь принятия решений» так, чтобы определение приходящего импульса выполнялось на его середине. Электрический сигнал, который выдает «Цепь принятия решения», идет на частоте таймера. Так как у разных таймеров есть погрешность, то, по мере принятия последующих им-

пульсов пакета, момент определения приходящего импульса плавно смещается в одну из сторон относительно середины приходящего импульса. Для правильной индентифика- ции всех импульсов пакета важно, чтобы смешение за время принятия пакета не превысило 0, 5 импульса. Это приводит к ограничению максимальной длины пакета. Чем меньше погрешность таймера, тем больше длина пакета, используемого для передачи.

Повторители и оптические усилители являются ретрансляторами оптических сигналов. По мере распространения оптического сигнала происходит его ослабление, а также уширение импульсов из-за дисперсии. Любой из этих факторов может оказаться причиной ограничения максимальной длины безтрансляционного участка волоконно- оптической связи. Если же максимальная допустимая длина между приемником и передатчиком превышает действительную, то необходимо в промежуточных точках линии связи добавлять один или несколько ретрансляторов. В общем случае ретранслятор выполняет функцию усилителя оптического сигнала, и дополнительно (при цифровой передаче) восстанавливает форму импульсов, уменьшает уровень шумов и устраняет ошибки. Такой ретранслятор называется регенератором.

В локальных волоконно-оптических сетях ЛВОС повторители значительно больше распространены, чем оптические усилители, в то время как при построении оптических магистралей оптические усилители играют незаменимую роль.

Повторитель (рис. 8.49, а) преобразует оптический сигнал в электрическую форму, усиливает, корректирует, а затем преобразовывает обратно в оптический сигнал, то есть повторитель можно рассматривать как последовательное соединение приемного и передающего оптических модулей.

Аналоговый повторитель в основном выполняет функцию усилителя сигналов. При этом вместе с полезным сигналом усиливается также входной шум. Однако при цифровой передаче повторитель наряду с усилением может выполнять регенерацию сигнала, свойственную цифровому оптическому приемнику (рис. 8.48, б). Обычно блок регенерации охватывает «Цепь принятия решения» и таймер. Блок регенерации восстанавливает прямоугольную форму импульсов, устраняет шум, рассинхронизирует передачу так, чтобы выходные импульсы совпадали с соответствующими синхроимпульсами таймера. Повторитель может и не содержать таймера и восстанавливать прямоугольную форму импульсов по определенному порогу, независимо от того, на какой скорости ведется передача. Такие повторители применяются в локальных сетях, где имеет место асинхронный режим передачи.

Оптический усилитель ( ОУ ), в отличие от повторителей, не осуществляет оптоэлектронного преобразования, а сразу производит усиление оптического сигнала (рис. 8.49, б). Оптические усилители не производят также регенерацию оптического сигнала. Они в равной степени усиливают как входной сигнал, так и шум, а также вносят собственный шум в выходной оптический канал. ОУ имеют более высокую надежность, чем повторители. Они не привязаны к скорости передачи информации, в то время как повторители выполняются для работы на определенной скорости. Именно на эту скорость настраивается таймер повторителя. Повторитель работает с одним сигналом. ОУ может усиливать несколько оптических сигналов на разных длинах волн в пределах определенного интервала, который называется зоной усиления. Это позволяет увеличивать пропускную способность линий связи, на которой установлены ОУ, без добавления новых волокон.

⇐ Предыдущая 29 30 31 32 333435 36 37 38 Следующая ⇒