Каталог товаров
Будьте в курсе!

Новости, обзоры и акции

Оптическое волокно – это прорыв в настоящее и в будущее.

Почему автор назвал так статью!?  Наверно, потому, что оптическое волокно стремительно ворвалось в современный мир и в дальнейшем обещает блистательную перспективу. Для начала, рассмотрим понятие многомодовости и одномодовости лазерного излучения и в этом контексте коснемся среды передачи этого света. Многомодовое или одномодовое лазерное излучение определяется типом  оптического резонатора, являющимся базовым устройством лазерного передатчика. Основной конфигурацией оптического резонатора является резонатор Фабри – Перо, названный в честь двух французских физиков Шарля Фабри и Альфреда Перо, которые в 1899 году  изобрели такое устройство.

Изображение

Рис.1.  Схема резонатора  Фабри - Перо

Суть работы резонатора Фабри - Перо заключается в следующем: между двумя зеркальными параллельными пластинами направляется пучок света, который многократно отражаясь от зеркальных поверхностей, интерферируется (складывается) сам с собой – в результате появляется целый спектр дискретных световых частот, называемых стоячими волнами или продольными модами резонатора Фабри – Перо. Только эти моды обладают такими частотами излучения, которые способны самоподдерживаться в полости резонатора, а все остальные частоты подавляются интерференцией. Поддерживаемые моды – это те, для которых расстояние между зеркалами  кратно половине длины волны введенного в резонатор светового пучка.  В зависимости от числа поддерживаемых мод введена соответствующая терминология.  Когда в резонаторе возбуждается более чем одна  мода лазер называется “многомодовым”. Когда в резонаторе возбуждается только одна мода лазер именуется “одномодовым”.

Теперь о среде передачи лазерного излучения. Нас будет интересовать оптическое волокно как проводник  информационных лазерных потоков.

Изображение

Рис.2.  Структура оптического волокна

            

Наиболее распространенное оптоволокно изготавливается из кварцевого стекла. Оптическое волокно состоит из ядра (сердцевины) и оболочки. Оболочка имеет сечение, равное 125 мкм. Сама оболочка имеет защитный покров, так называемое, первичное покрытие диаметром 250 мкм. Тип волокна – многомодовое или одномодовое – определяется размером ядра. Если ядро  волокна имеет диаметр 50 мкм (европейский стандарт) или 62,5 мкм (американский стандарт), то говорят, что данное оптическое волокно является многомодовым (ММ,  multi mode). Если ядро  волокна – сечением  9 мкм, говорят, что оптическое волокно является одномодовым (SМ,  single  mode). Стандартная аббревиатура, обозначающая типоразмер  оптического волокна, такая: многомодовое волокно – 50/125 или 62.5/125, одномодовое – 9/125. Световой сигнал распространяется по сердцевине оптического волокна, а оболочка, у которой плотность стекла меньше, чем у сердцевины, служит в качестве отражающего слоя, с помощью которого  оптический сигнал удерживается внутри сердцевины.   

       

Изображение

Рис.3.  Оптическое многомодовое и одномодовое волокно

Наличие множества мод в световой несущей волне в многомодовом сигнале, проходящего по волокну, приводит  к модовой дисперсии (рассеиванию) сигнала за счет повышенной вероятности отражения мод от оболочки в силу большого сечения сердечника. Это естественно приводит к ухудшению качества приходящей на приемник информации. На заре появления оптического  волокна изготавливалось ступенчатое многомодовое  оптоволокно с постоянной плотностью сердцевины по всему сечению. Это приводило к множественным отражениям мод, а в конечном итоге к образованию пучка света с разноскоростным многомодовым спектром: сигнал приходит на приемник  “размазанным”. Ныне такое волокно практически не производится.  Пришло на смену – градиентное многомодовое оптическое волокно, которое имеет неравномерную плотность материала сердцевины: значение плотности стекла изменяется по параболе, уменьшаясь от центра к внешнему радиусу. В результате в процессе  отражения -  модовые составляющие  с более длинными траекториями получают большую скорость, что приводит к сглаживаю многомодового  сигнала – в нем нет острых пиков в тракте мод -  а это в свою очередь значительно уменьшает модовую дисперсию. Такая структура градиентного волокна снимает в достаточной мере проблему передачи качественного многомодового оптического сигнала на небольшие дистанции с увеличенной пропускной способностью.  Однако, полностью решить вопрос передачи высококачественного и высокоскоростного оптического сигнала с одной модой на любые дистанции  возможно стало   с появлением одномодового  приемопередатчика (трансивера)  и соответственно оптического одномодового волокна  с  диаметром сердцевины порядка 9 мкм.   

   

Определяющими  параметрами, характеризующие качество и возможности оптического волокна,  являются:
- затухание светового излучения
- полоса пропускания
- способность оптоволокна на волновое спектральное мультиплексирование
- способность оптоволокна не реагировать на электромагнитное излучение.
Затухание определяет величину ослабления оптической мощности лазерного луча в децибелах на км (дБ/км) при прохождении  по оптоволокну. Несмотря на высокий уровень технологий, используемых при изготовлении оптоволокна, оптическое волокно не лишено дефектов, приводящих к ослаблению передаваемого сигнала. Основными причинами, вызывающими затухание сигнала в оптоволокне, являются: поглощение и рассеивание, связанные с неоднородностью оптического материала из-за различного рода примесей, а также потери на микроизгибах оптического волокна. Зависимость значения затухания от величины волны (окна прозрачности) показана на Рис.4.   

Изображение

Рис. 4.  Зависимость величины затухания оптоволокна от длины волны  
 

Окном прозрачности оптического волокна называют волновую  ширину в  определенном диапазоне, где затухание  лазерного сигнала имеет наименьшее значение. Таких окон прозрачности оптоволокна выявлено три  и соответственно определены оптимальные инфракрасные волны – 850 нм,1310 нм и 1550 нм, на которых в основном проектируется вся активная и пассивная приемо-передающая аппаратура для ВОЛС. Длину волны 850 нм используют для многомодового оптического волокна, 1310 нм – многомодовое и одномодовое оптическое волокно, а 1550 нм – одномодовое оптоволокно.

Второй важный параметр качества оптического волокна -  полоса пропускания. Чтобы понять, что есть полоса пропускания, надо рассмотреть амплитудно-частотную характеристику оптоволокна (Рис. 5). Также надо коснуться понятия модуляции светового потока. Итак, световое излучение является несущей частотой, через посредство которой переносятся информационные потоки. Процесс наложения информационной частоты на несущую называют модуляцией.  Методов модуляции несколько: амплитудная, фазовая, частотная, т.е. в процессе модуляции происходит алгоритмическое изменение амплитуды (фазы, частоты) несущего сигнала в соответствии с определенным способом кодирования информационного цифрового сигнала.  Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) оптического волокна показывает, как изменяется амплитуда несущего синусоидального светового сигнала на выходе определенной оптоволоконной дистанции (Авых) по сравнению с амплитудой светового сигнала на  входе этой дистанции (Авх) на инфракрасном диапазоне частот.

Изображение

Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика оптоволокна

                   

Как видно из графика АЧХ, полосой пропускания считается частотный диапазон, при котором отношение Авых/Авх равно 0,5, т.е. мощность несущего светового сигнала падает на 50% по отношению к мощности входного сигнала, что соответствует значению в 3 дБ. Полоса пропускания  на дистанции в 1 км называется коэффициентом широкополостности (МГц*км).  Для многомодового оптического волокна кэффициент широкополостостии  равен 200 - 1000 МГц*км.  Для одномодового волокна коэффициент широкополостности  доходит до 10 - 100 ГГц*км! Полоса пропускания непосредственно связана с пропускной способностью информационного сигнала  при прохождении по оптическому волокну. Если какая-то часть информационных модулированных цифровых гармоник не попадает в полосу пропускания волокна, то сигнал придет искаженным на оптический приемник. В случае полного попадания в полосу пропускания значимых цифровых гармоник, т.е. тех гармоник, амплитуды которых вносят основной вклад в результирующий сигнал, информация придет на приемник без искажений (Рис. 6).

Изображение

Рис. 6. Полоса пропускания и спектр информационных цифровых гармоник
 

Теперь о волновом спектральном мультиплексировании. Способность оптического волокна на спектральное мультиплексирование, а точнее, на WDM-мультиплексирование инфракрасного лазерного потока, привело к кардинальному прорыву в области повышения пропускной способности каналов связи.  Такой метод  позволяет – одновременно! на одном волокне! – уплотнить/разуплотнить передаваемую информацию на всем спектре инфракрасных частот в диапазоне  от 1270 нм до 1610 нм. Существуют четыре метода WDM-мультиплексирования спектральных каналов в зависимости от типов  оптических мультиплексоров:
- грубое мультиплексирование до 3 частот (1310/1490/1550 нм) с помощью WDM-сплиттера
- грубое мультиплексирование до 16 частот с помощью CWDM-мультиплексор
- плотное мультиплексирование до 40 частот с помощью DWDM-мультиплексора
- высокоплотное мультиплексирование до 64 частот с помощью HDWDM-мультиплексора.  Невосприимчивость  оптического волокна на электромагнитное излучение окружающих медных кабелей и электрического оборудования связано с тем, что волокно изготовлено из диэлектрического материала – кварцевого стекла. Это  позволяет строить оптические магистрали рядом с высоковольтными трассами!

Для оптического волокна установлены следующие стандартизованные показатели (см. рубрику “Полезная информация” на нашем сайте):
- классы оптического волокна по стандарту ISO/IEC 11801
- классификация оптического волокна по рекомендациям  ITU-T.

Стандарт ISO/IEC 11801 описывает следующие классы оптического волокна:
- класс OS1 - одномодовое оптическое волокно типа 9/125
- класс ОМ1 - многомодовое оптическое волокно типа 62.5/125
- класс ОМ2 - многомодовое оптическое волокно типа 50/125
- класс ОМ2 plus - многомодовое оптическое волокно типа 50/125 Laser Grade
- класс ОМ3 – высокоскоростное многомодовое оптическое волокно типа 50/125
- класс ОМ4 – оптимизированное многомодовое оптическое волокно типа 50/125

В стандарт ISO/IEC 24702 включен класс OS2  одномодового оптического волокна с улучшенными характеристиками по сравнению с классом OS1.

По рекомендациям  ITU-T описаны следующие типы оптического волокна (ОВ):
G.652 - стандартное одномодовое ОВ
G.653 - одномодовое ОВ с нулевой смещенной дисперсией (ZDSF)
G.654 - одномодовое ОВ со смещенной длиной волны отсечки
G.655 - одномодовое ОВ с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF)
G.656 - одномодовое ОВ с ненулевой дисперсией для широкополосной передачи данных
G.657 - стандартное одномодовое ОВ с уменьшенными потерями на малых радиусах изгиба
G.651.1 - многомодовое ОВ типа 50/125 мкм
Многомодовое оптическое волокно типа  62,5/125 мкм в рекомендации ITU-T не включено. Данное оптоволокно включено в стандарт  IEC 60793-2-10 (тип A1b). Этот стандарт разработан Международной Электротехнической Комиссией (МЭК) или по-английски International  Electrotechnical Commission (IEC).  

Правда возникает справедливый вопрос: зачем копья ломать – надо взять и отказаться вообще от многомодового  оптического волокна, хоть и  градиентного, и перейти только на одномодовое волокно. Ан! – нет!  Выясняется, что сейчас появилось многомодовое оптическое волокно класса ОМ3 и ОМ4  высокоскоростное  до 10 Гбит/с – это раз!  А два,   скажем, для тех же локальных компьютерных сетей с архитектурой размером до 300 м выгоднее строить на многомодовых компонентах, т.к. активная часть такой сети   значительно дешевле одномодового варианта. Получается разделение труда.  Многомодовое оптическое волокно используют при построении локальных сетей в технологиях FDDI, ATM, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Одномодовое оптическое волокно используется во всех наиболее распространенных  городских и региональных сетях таких, как PDH, SDH/SONET, Token Ring, FDDI, ATM, DPT, PON, семейство Ethernet. Основными производителями оптического волокна считаются фирмы Corning, Lucent, Fujikura.

Итак, оптические кабели, изготовленные на основе оптического волокна, сейчас занимают одно из ведущих мест в сфере передачи информации. В частности, на базе оптических кабелей организовывают  волоконно-оптические лини связи (ВОЛС), обеспечивают  по технологии  PON пользовательские услуги типа FTTH - “оптика в дом”, тянут магистрали для кабельного телевидения.  Оптические кабели связи используют для прокладки в грунте и канализации, для подвеса на столбах и опорах, для внутреннего и наружного использования. Их делают -  бронированными для защиты от внешних воздействий,  с диэлектрическими силовыми элементами  для протяжки по линиям электропередач (ЛЭП)  и достаточно легкими для сетевых трактов “последняя миля “ и структурированных кабельных систем (СКС). Оптоволоконные кабели имеют такие неоспоримые преимущества  как:
- большая пропускная способность
- высокий уровень помехозащищенности.
Большая пропускная способность кабельных оптоволоконных магистралей обеспечивается за счет великолепного свойства оптического волокна иметь малые потери мощности проходящего сигнала (затухание), широкую полосу пропускания  и возможность спектрального WDM-мультиплексирования инфракрасных частот. Высокий уровень помехозащищенности оптических кабелей обеспечивается другим не менее достойным свойством оптического волокна – не реагировать на электромагнитные наводки от медных кабелей и электрических устройств.

Вот вам и оптическое волокно!  Во всей красе.  Авторская ремарка.

Будьте в курсе!

Новости, обзоры и акции