Преимущества и недостатки использования оптических волокон в системах связи

ВВЕДЕНИЕ

Современная эпоха характеризуется стремительным прогрессом информатизации общества. Это сильней всего проявляется в росте пропускной способности и гибкости информационных сетей.

Прогресс в области электроники, оптических, квантовых и оптоэлектронных технологий позволяя резко повысить полосу пропускания и быстродействие оконечных устройств систем передачи (соответственно ~100ГГц и 80Гбит/с), а полоса пропускания среды передачи – современных оптических волокон и оптических кабелей на их основе составляет десятки терагерц. Благодаря этому объем передаваемой информации по одному волокну в современных волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) возрос до эквивалентной скорости в несколько Тбит/с. При этом дальность передачи без промежуточных пунктов регенерации сигналов увеличилась до нескольких сот километров и в перспективе достигнет тысяч километров.

Широкомасштабное использование волоконно-оптических линий связи началось примерно 25 лет назад, когда прогресс в технологии изготовления волокна позволил строить линии большой протяженности. Сейчас объемы внедрения ВОЛС значительно возросли. По всему миру прокладываются за год десятки тысяч километров волоконно-оптических кабелей под землей, по дну океанов, рек, на ЛЭП, в коллекторах. Множество компаний ведут интенсивные исследования в области волоконно-оптических технологий, таких как DWDM, волокон с ненулевой смещенной дисперсией, позволяющих значительно увеличить пропускную способность волоконно-оптических магистралей.

В предлагаемом учебном пособии, часть I рассмотрены вопросы, касающиеся оптических волокон: геометрические и оптические параметры световодов, дана общая картина распространения света по ОВ. В пособии использованы сведения из рекомендации Сектора Телекоммуникаций Международного Союза Электросвязи (МСЭ-Т) по стандартизации одномодовых волокон. Данное учебное пособие (конспект лекций), часть I составлено на основе лекций прочитанных в ХФ СибГУТИ ПО курсу «Физические основы передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи».

СВЕТ

Свет представляет собой один из видов электромагнитной энергии. Электромагнитная энергия – энергия излучения, распространяющаяся в свободном пространстве со скоростью около .

Соотношение между скоростью ( ), длиной волны и частотой выражается .

В электронике принято говорить о частоте сигнала, в то время как в волоконной оптике чаще говорят о длине волны.

Электромагнитное излучение образует непрерывный частотный сектор, простирающийся к радиоволнам, микроволновому излучению, рентгеновским лучам и далее космическое излучение (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1

Свет представляет собой электромагнитное излучение с большой частотой и короткой длиной волны по сравнению с радиоволнами. Видимая область спектра составляет лишь малую часть всего светового диапазона. Она имеет длины волн в диапазоне от 380 нм (~790ТГц) темно-фиолетового до 750нм (~400ТГц) темно-красного. В настоящее время большинство волоконно - оптических систем используют инфракрасный свет с длинами волн между 800нм(375ТГц) и 1600нм (187, 5ТГц) поскольку стекло является более прозрачным для инфракрасного излучения, чем для видимого света.

Волны и частицы

Оптикой называется раздел физики, занимающейся изучением природы света, закономерностей его испускания, распространения и взаимодействия с веществом. С физической точки зрения все виды материи разделяются по природе или на волны или на частицы. Обычно свет представляется в виде волн, а электроны – в виде частиц. Однако физические исследования показали, что четкой границы между частицами и волнами не существует. Поведение как частицы, так и волны может быть и корпускулярным, и волновым.

Частицы света называются фотонами. Фотоны представляют собой квант или пакет излучения. Квант является элементарной единицей излучения. Количество энергии, переносимое фотоном, зависит от частоты и увеличивается с ростом частоты. Длинам волн фиолетового диапазона соответствует большее количество энергии, чем красному свету, так как фиолетовому диапазону соответствуют большие частоты. Энергия, запасенная в одно фотоне:

где - его частота;

- постоянная Планка равная .

Энергия фотона зависит только от частоты (длины волны). Квант энергии света, заключенный в одном фотоне, равен . Чем выше частота, тем большую энергию имеет квант.

Инфракрасный свет

Рентгеновские лучи

Фотон является частицей с нулевой массой покоя. Если он не движется, то он не существует. В этом смысле фотон не является частицей, такой как электрон. Он служит вместилищем («оболочкой»), но ведет себя как частица.

В волоконной оптике свет рассматривают и как частицу и как волну. Простейшим способом описания света в оптике является анализ прохождения лучей света, т.е. свет рассматривается как простые лучи, отображаемыми прямыми линиями.

Таким образом, свет имеет как лучевую, так и волновую природу.

Лучевая природа – поток частиц (фотонов) движущихся со скоростью (в вакууме), которые излучаются отдельными порциями (квантами).

Волновая теория доказывает, что все свойства света совпадают со свойствами электромагнитной волны, но характеризуется очень высокой частотой.

Оптическое волокно

Оптическое волокно имеет два концентрических слоя – ядро (сердцевина) и оптическая оболочка. Внутреннее ядро предназначено для переноса света (электромагнитной энергии). Окружающая его оболочка создает лучшие условия отражения на границе «сердцевина-оболочка» (рисунок 1.3). Показатель преломления оптической оболочки всегда меньше показателя преломления ядра.

Рисунок 1.3

Волокно имеет дополнительную защитную оболочку вокруг оптической оболочки. Защитная оболочка, представляющая собой один или несколько слоев полимера (эпоксиакрилат, лаки) предохраняет волокно от механических воздействий.

В ВОЛС наиболее широко используются волокна со следующими размерами:

Ядро (сердцевина), мкм	Оптическая оболочка, мкм

62, 5

8-10

Классификация волокон

Оптические волокна характеризуются по двум параметрам:

По материалу, из которого сделано волокно:

а) Стеклянные волокна имеют как стеклянную сердцевину, так и стеклянную оптическую оболочку. Стекло, используемое в данном типе волокна, состоит из сверх чистого сверх прозрачного плавленого кварца или диоксида кремния. В стекло добавляют примеси. Германий и фосфор увеличивают показатель преломления, бор и фтор уменьшают его.

Кроме того в стекле присутствуют и другие примеси, не извлеченные в процессе очистки.

б) Стеклянные волокна с пластиковой оболочкой ( ) имеют стеклянное ядро и пластиковую оптическую оболочку. Их характеристики, хотя и не столь хорошие, как у полностью стеклянного волокна, но являются вполне приемлемыми.

в) Пластиковые волокна имеют пластиковое ядро и пластиковую оптическую оболочку. По сравнению с другими волокнами пластиковые имеют ограниченные возможности с точки зрения затухания и полосы пропускания. Однако низкая себестоимость и простота использования делают их привлекательными там, где требования к величине затухания и полосе пропускания не столь высоки.

Пластиковые и волокна не имеют защитных оболочек вокруг оптической оболочки.

Второй способ классификации волокон основан на индексе преломления.

Рисунок 1.4

Профиль индекса преломления отображает соотношение между индексом ядра и оптической оболочки. Существует два основных вида профиля: ступенчатый и сглаженный (градиентный). Волокно со ступенчатым профилем имеет ядро с однородным показателем преломления. При этом показатель преломления испытывает резкий скачок на границе между ядром и оптической оболочкой. В случае сглаженного профиля показатель преломления ядра не является однородным – показатель максимален в центре и постепенно спадает вплоть до оптической оболочки и на границе между ядром и оптической оболочкой отсутствует резкий скачок показателя преломления.

В соответствии с данной классификацией существует три вида оптических волокон, применяемых для организации связей по ВОЛС:

1. Многомодовое волокно со ступенчатым индексом (рисунок 1.4а);

2. Многомодовое волокно со сглаженным индексом (рисунок 1.4б);

3. Одномодовое волокно со ступенчатым индексом (рисунок 1.4в).

ОПТИЧЕСКИЕ СОЕДИНИТЕЛИ

Для соединения элементов ВОСП между собой требуются простые и надежные соединители световодов друг с другом (ОВ – ОВ), с излучателями (ИИ – ОВ), с фотодетекторами (ОВ – ФД).

Оптические соединители (ОС) представляют собой один из самых ответственных классов пассивных компонентов для ВОСП. От их качества зависят предельные возможности и сроки эксплуатации. Совокупность требований, предъявляемых к ОС, может быть сформулирована следующим образом:

- малые оптические потери;

- стабильность параметров в процессе эксплуатации;

- устойчивость к внешним механическим и физико-химическим воздействиям;

- надежность и простота соединений;

- низкая стоимость

– герметичность.

Многомодовые ОВ

Многомодовые ОВ могут быть со ступенчатым или с градиентными профилями показателя преломления (ППП).

Оптимальным ППП в ОВ считается параболический, ослабляющий межмодовую дисперсию. Многомодовые ОВ имеют стандартные значения диаметра сердцевины – 50 и 62, 5мкм. Их характеристики регламентируются Рекомендацией G.651. Область их применения ограничивается в основном низовыми участками транспортной сети, локальными и внутриобъектовыми сетями.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Характеристики линейных трактов одноволновых волоконно-оптических систем передачи SDH (согласно рекомендации G.957 МСЭ-Т).

Код применения агрегатного оптического интерфейса SDH:

- I – обозначает внутристанционные применения (intro-office);

- S – обозначает передачу на небольшие расстояния (short-haul);

- L - обозначает передачу на большие расстояния (long-haul);

- V - обозначает передачу на очень большие расстояния (very long-haul);

- U - обозначает передачу на сверхбольшие расстояния (ultra long-haul);

- B – обозначает интерфейс с оптическим усилителем мощности (booster-amplifier);

- BP - обозначает интерфейс с оптическим усилителем мощности и оптическим предусилителем (pre-amplifier).

Обозначения I, S, L, V и U – международные стандартизированные обозначения.

JE, B, P, BP – вариант обозначения производителей аппаратуры.

Цифровой код агрегатного оптического интерфейса SDH:

- уровень STM может быть 1, 4, 16 или 64;

- используемые тип волоконно-оптического кабеля и номинальная длина волны излучения лазера обозначаются номером суффикса;

- 1 – обозначает использование источника лазера с номиналом 1310нм и стандартного волоконно-оптического кабеля согласно рекомендации G.652 ITU-T (SF, Standard Fiber);

- 2 - обозначает использование источника лазера с номиналом 1550нм и волоконно-оптического кабеля согласно рекомендации G.652 ITU-T (SF);

- 3 - обозначает использование источника лазера с номиналом 1310нм и волоконно-оптического кабеля со смещенной дисперсией согласно рекомендации G.653 ITU-T (DSF, Dispersion-Shifted Fiber);

FP(MLM) – многомодовый лазер с резонатором Фабри-Перо;

DFB(SLM) – многомодовый лазер с распред. обратной связью;

APD – лавинный фотодиод.

Таблица 1- Характеристики оптических интерфейсов для сигналов STM-1

Код интерфейса	Един. измер.	S-1.1	L-1.1	L-1.2
Уровень SDH Скорость передачи Линейный код Длина волны	кбит/с нм	STM-1 155 520 NRZ скрембл. 1280…1335	STM-1 155 520 NRZ скрембл. 1280…1335	STM-1 155 520 NRZ скрембл. 1500…1580
Характеристики оптического передатчика (точка S)
Источник излучения Среднеквадратическая ширина спектра излу-чения на уровне 3дБм Ширина спектра излу-чения на уровне 20дБм Минимальное подав-ление боковых мод Средняя излучаемая мощность	нм нм дБ дБм	Лазер FP(MLM) - - -15…-8	Лазер FP(MLM) 2, 1 - - -5…0	Лазер DFB(SLM) - -5…0
Характеристики оптического приемника (точка R)
Тип фотоприемника Минимальный уровень оптической мощности при BER=10^-10 Уровень перегрузки Максимальный коэф-фициент отражения приемника Дополнительное зату-хание оптического тракта	дБм дБм дБ дБ	PIN -33, 5 -5 -	PIN -34 -5 -	PIN -34 -5 -25
Характеристики оптического тракта (между точками S и R)
Диапазон оптического затухания Максимальная хрома-тическая дисперсия Потери отражения оптической мощности от кабеля в точке S	дБ пс/нм дБ	0…17, 5 -	5…28 -	5…28 - -

Таблица 2 - Характеристики оптических интерфейсов для сигналов STM-4

Код интерфейса	Един. измер.	S-4.1	L-4.1а	L-4.1	L-4.2
Уровень SDH Скорость передачи Линейный код Длина волны	кбит/с нм	STM-4 622 080 NRZ скремб. 1280…1335	STM-4 622 080 NRZ скремб. 1296…1330	STM-4 622 080 NRZ скремб. 1280…1335	STM-4 622 080 NRZ скремб. 1530…1560
Характеристики оптического передатчика (точка S)
Источник излучения Среднеквадратическая ширина спектра излу-чения на уровне 3дБм Ширина спектра излу-чения на уровне 20дБм Минимальное подав-ление боковых мод Средняя излучаемая мощность	нм нм дБ дБм	Лазер FP (MLM) 2.1 - - -18…-8	Лазер FP (MLM) 2, 0 - - -3…+2	Лазер DFB (SLM) - -3…+2	Лазер DFB (SLM) - -3…+2
Характеристики оптического приемника (точка R)
Тип фотоприемника Минимальный уровень оптической мощности при BER=10^-10 Уровень перегрузки Максимальный коэф-фициент отражения приемника Дополнительное зату-хание оптическ. тракта	дБм дБм дБ дБ	Ge-APD -32 -4 -	Ge-APD -32, 5 -4 - 20	Ge-APD -32, 5 -4 -20	3хэлем.APD -34, 5 -8 -27
Характеристики оптического тракта (между точками S и R)
Диапазон оптического затухания Максимальная хрома-тическая дисперсия - на максимальной длине волны излучения - на минимальной длине волны излучения Потери отражения оптической мощности от кабеля в точке S	дБ пс/нм пс/нм пс/нм дБ	0…16 - -	6…28, 5 - -	6…28, 5 - -	10…29, 5 -

Таблица 3 - Характеристики оптических интерфейсов с оптическими усилителями мощности для сигналов STM-4

Код интерфейса	Един. измер.	U-4.2	B-4.2B
Уровень SDH Скорость передачи Линейный код Длина волны	кбит/с нм	STM-4 622 080 NRZ скремб. 1530…1560	STM-4 622 080 NRZ скремб. 1530…1560
Характеристики оптического передатчика (точка S)
Источник излучения Ширина спектра излучения на уровне 20дБм Минимальное подавление боковых мод Средняя излучаемая мощность	нм дБ дБм	Лазер DFB (SLM) 1, 0 10…13	Лазер DFB (SLM) 1, 0 14…
Характеристики оптического приемника (точка R)
Тип фотоприемника Минимальный уровень оптической мощности при BER=10^-10 Уровень перегрузки Максимальный коэффициент отражения приемника Дополнительное затухание оптического тракта	дБм дБм дБ дБ	3хэлементный фотодиод APD -34, 5 -8 -27	3хэлементный фотодиод APD -34, 5 -8 -27
Характеристики оптического тракта (между точками S и R)
Диапазон оптического затухания Максимальная хроматическая дисперсия - на максимальной длине волны излучения - на минимальной длине волны излучения Потери отражения оптической мощности от кабеля в точке S	дБ пс/нм пс/нм пс/нм дБ	21…42, 5	25…46, 5

Таблица 4 - Характеристики оптических интерфейсов для сигналов STM-16

Код интерфейса	Един. измер.	L-16.1	L-16.2
Уровень SDH Скорость передачи Линейный код Длина волны	кбит/с нм	STM-16 2 488 320 NRZ скремб. 1280…1335	STM-16 2 488 320 NRZ скремб. 1530…1560
Характеристики оптического передатчика (точка S)
Источник излучения Ширина спектра излучения на уровне 20дБм Минимальное подавление боковых мод Средняя излучаемая мощность	нм дБ дБм	Одномод. лазерный диод DFB (SLM) -2…+2	Одномод. лазерный диод DFB (SLM) 0, 5 -2…+2
Характеристики оптического приемника (точка R)
Тип фотоприемника Минимальный уровень оптической мощности при BER=10^-10 Уровень перегрузки Максимальный коэффициент отражения приемника Дополнительное затухание оптического тракта	дБм дБм дБ дБ	Ge-APD - лавинный фотодиод -27 -27	3хэлементный лав. фотодиод APD -28 -8 -27
Характеристики оптического тракта (между точками S и R)
Диапазон оптического затухания Максимальная хроматическая дисперсия - на максимальной длине волны излучения - на минимальной длине волны излучения Потери отражения оптической мощности от кабеля в точке S	дБ пс/нм пс/нм пс/нм дБ	2…24	10…24

Таблица 5 - Характеристики оптических интерфейсов с оптическими усилителями мощности для сигналов STM-16

Код интерфейса	Един. измер.	V-16.2	B-16.2
Уровень SDH Скорость передачи Линейный код Длина волны	кбит/с нм	STM-16 2 488 320 NRZ скремб. 1530…1560	STM-16 2 488 320 NRZ скремб. 1530…1560
Характеристики оптического передатчика (точка S)
Источник излучения Ширина спектра излучения на уровне 20дБм Минимальное подавление боковых мод Средняя излучаемая мощность	нм дБ дБм	Лазер DFB (SLM) 0, 5 10…13	Лазер DFB (SLM) 0, 5 14…17
Характеристики оптического приемника (точка R)
Тип фотоприемника Минимальный уровень оптической мощности при BER=10^-10 Уровень перегрузки Максимальный коэффициент отражения приемника Дополнительное затухание оптического тракта	дБм дБм дБ дБ	3хэлементный APD -28 -8 -27	3хэлементный APD -28 -8 -27
Характеристики оптического тракта (между точками S и R)
Диапазон оптического затухания Максимальная хроматическая дисперсия - на максимальной длине волны излучения - на минимальной длине волны излучения Потери отражения оптической мощности от кабеля в точке S	дБ пс/нм пс/нм пс/нм дБ	21…36	25…40

Таблица 6 - Характеристики оптических интерфейсов с оптическим предусилителем для сигналов STM-16

Код интерфейса	Един. измер.	U-16.2	U-16.3
Уровень SDH Скорость передачи Линейный код Длина волны	кбит/с нм	STM-16 2 488 320 NRZ скремб. 1530…1560	STM-16 2 488 320 NRZ скремб. 1530…1560
Характеристики оптического передатчика (точка S)
Источник излучения Ширина спектра излучения на уровне 20дБм Минимальное подавление боковых мод Средняя излучаемая мощность	нм дБ дБм	Лазер DFB и оптический усилитель 0, 2 10…13	Лазер DFB и оптический усилитель 0, 2 14…17
Характеристики оптического приемника (точка R)
Тип фотоприемника Минимальный уровень оптической мощности при BER=10^-10 Уровень перегрузки Максимальный коэффициент отражения приемника Дополнительное затухание оптического тракта	дБм дБм дБ дБ	PIN -36 -18 -27	PIN -36 -18 -27
Характеристики оптического тракта (между точками S и R)
Диапазон оптического затухания Максимальная хроматическая дисперсия - на максимальной длине волны излучения - на минимальной длине волны излучения Потери отражения оптической мощности от кабеля в точке S	дБ пс/нм пс/нм пс/нм дБ	31…44	35…48

Таблица 7- Примеры характеристик оптических интерфейсов для сигналов STM-64 (G.691)

Код интерфейса	Един. измер.	S-64.2a	L-64.2a	V-64.2a
Уровень SDH Скорость передачи Линейный код Длина волны	кбит/с нм	STM-64 9 953 280 NRZ скрембл. 1530…1565	STM-64 9 953 280 NRZ скрембл. 1530…1565	STM-64 9 953 280 NRZ скрембл. 1530…1565
Характеристики оптического передатчика (точка S)
Источник излучения Ширина спектра излу-чения на уровне 20дБм Минимальное подав-ление боковых мод Средняя излучаемая мощность	нм дБ дБм	DFB < 0, 2 -1…-5	DFB < 0, 2 +2…-2	DFB < 0, 2 +12…+15
Характеристики оптического приемника (точка R)
Тип фотоприемника Минимальный уровень оптической мощности при BER=10^-10	дБм	APD -18	PDC -26	PDC -23
Характеристики оптического тракта (между точками S и R)
Затухание: - максимальное - минимальное Дисперсия: - максимальная	дБ дБ пс/нм

ВВЕДЕНИЕ

Преимущества и недостатки использования оптических волокон в системах связи

Передача информации по ВОЛС имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю. Стремительное внедрение в информационные сети оптических линий связи является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне.

Широкая полоса пропускания обусловлена очень высокой несущей Гц. Это дает возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания – одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медными или любой другой средой информации.

Низкие потери светового сигнала в волокне. Выпускаемая в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0, 2-0, 3 дБ/км на длине волокна 1, 55 мкм. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяет строить участки линии без ретрансляции протяженностью более 100км.

Малый уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с небольшой избыточностью кода.

Высокая помехозащищенность. Так как волокно изготовлено из диэлектрического материала, то оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблем перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.

Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать земельных петель, которые могут возникнуть, когда два сетевых устройств неизолированной вычислительной сети, связанные кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например на разных этажах. При этом может возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование. Для волокна этой проблемы просто нет.

Взрывопожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сетей связи на химических, нефтеперерабатывающих, взрывоопасных предприятиях.

Экономичность. Волокно изготавливается из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенная в природе и является в отличие от меди, недорогим материалом. В настоящее время стоимость оптического волокна и медной пары соотносится как 2: 5.

Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию, это означает, что затухание в проложенном кабеле может возрастать. Однако благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений приемно-передающей аппаратуры.

Удаленное электропитание. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля и используется только для передачи информации. Однако в некоторых случаях требуется подать электропитание на узел информационной волоконно-оптической сети. В этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медными проводниками, морские и трансокеанские линии без дистанционного электропитания построить невозможно.

Волоконно-оптические системы имеют также и недостатки, к которым в основном относятся дороговизна прецизионного монтажного оборудования, относительно высокая стоимость лазерных источников излучения и требования специальной защиты волокна. Для повышения надежности оптическое волокно при изготовлении покрывается лаком на основе эпоксиакрилата, а сам кабель упрочняется нитями на основе кевлара, стеклопластиковыми стержнями или стальным тросом. Преимущества от применения волоконно-оптических линий связи настолько значительно что, несмотря на недостатки, дальнейшие перспективы развития технологий ВОЛС в информационных сетях более чем очевидны.