vse_ob_optovolokne

Все об оптоволокне (подборка из статей)

Оптоволоконные линии предназначены для перемещения больших объемов данных на очень высоких скоростях.

В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов. Это относительно надежный (защищенный) способ передачи, поскольку электрические сигналы при этом не передаются. Следовательно, оптоволоконный кабель нельзя вскрыть и перехватить данные, от чего 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 много 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. Сама оптоволоконная среда только слегка дороже UTP категории 5. Но независимо от указанных преимуществ и недостатков применение оптоволокна приносит с собой другие проблемы, такие как процесс прокладки. 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.

В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего они 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 не долговечны. 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 снижено до 1 дБ/км.

В многомодовом 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 (не лазерный) 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 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 nonplenum.

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-Optic Inter-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" (double ring), которое в целях обеспечения отказоустойчивости состоит из двух резервных "колец", по которым трафик передается в противоположных направлениях.

В волоконной оптике, как и в любой другой науке, существует разработанный категориальный аппарат и выведены различные формулировки понятий и теорий, одна из них – теория оптического волокна – и будет рассмотрена нами в настоящей статье, состоящей из 2 частей.

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.

Теперь на смену обычным медным кабелям пришли оптические, имеющие неоспоримое превосходство по сравнению с первыми. Помимо высокой скорости передачи информации, они не зависимы от влияния электромагнитных полей, надежны в плане производимых потерь и более долговечные. Однако, чтобы правильно реализовать проект по проведению волоконных линий связи, и в полной мере насладиться всеми преимуществами оптических волокон, полезно знать основные принципы теории и законов оптики.

Закон оптики

Существует волновая теория света, согласно которой свет рассматривается как электромагнитная волна определенной длины и чтобы ее передавать на расстояния, нужно создавать изолированные оптически прозрачные среды. Наверно, вы помните, что в однородной среде свет идет прямолинейно, отражаясь от поверхности раздела среды и, как только он переходит через другую границу среды, начинает преломляться под определенным углом по отношению к первой среде. Используя физический закон поведения светового луча, в волоконной оптике добились управления световым потоком, передавая его по назначению с применением определенной среды.

Принцип оптического волокна

Для сохранения мощности светового импульса на дальних расстояниях требуется снижение потерь информации, которое достигается за счет получения прозрачной среды, препятствующей поглощению света и выверенной линии пути луча света. Если прозрачную среду можно получить, используя, к примеру, современное кварцевое стекло, то обеспечение точной траектории луча зависит от знания и правильного применения вышеприведенного закона оптики.

Межмодовая дисперсия

Ввиду того, что практически невозможно гарантировать идеальное прохождение светового излучения строго по вытянутой линии, часто создается такая ситуация, что импульс содержит несколько волн (мод), которые проходят по всему кабелю к приемнику не одновременно, а с некоторым интервалом времени. Те моды, которые проходят прямолинейно, быстрее добираются до конца тракта кабеля, другие – зигзагообразно и, следовательно, немного запаздывают. Этот временной диапазон прохождения разных волн или мод одного 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 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-тимикронное 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. И явление 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 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 нм и 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. Многомодовое и одномодовое волокно. Градиентное оптоволокно .

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 показателя преломления по его сечению.

Многомодовое оптическое волокно со ступенчатым показателем преломления

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 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 1 км) линии связи со скоростями передачи информации до 100 Мбайт/с, рабочая длина волны излучения, как правило, 0,85 мкм.

Многомодовое оптическое волокно с градиентным показателем преломления

отличается от ступенчатого тем, что показатель преломления изменяется в нём плавно от середины к краю. В результате моды идут плавно, межмодовая дисперсия меньше.

Градиентное оптоволокно в соответствии со стандартами имеет диаметр сердцевины 50 мкм и 62,5 мкм, диаметр оболочки 125 мкм. Оно применяется во внутриобъектовых 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 с ортогональными 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.

Окна прозрачности оптоволокна.

Говоря об окнах прозрачности оптического волокна, обычно рисуют такую картинку.

В настоящее время оптоволокно с такой характеристикой уже считается устаревшим. Достаточно давно освоен выпуск оптоволокна типа AllWave ZWP (zero water peak, с нулевым пиком воды), в котором устранены гидроксильные ионы в составе кварцевого стекла. Такое стекло имеет уже не окно, а прямо таки проём в диапазоне от 1300 до 1600 нм.

Все окна прозрачности лежат в инфракрасном диапазоне, то есть свет, передающийся по ВОЛС, не виден глазу. Стоит заметить, что в стандартное оптоволокно можно ввести и видимое глазом излучение. Для этого применяют либо небольшие блоки, присутствующие в некоторых рефлектометрах, либо даже слегка переделанную китайскую лазерную указку. С помощью таких приспособлений можно находить переломы в шнурах. Там, где оптоволокно сломано, будет видно яркое свечение. Такой свет быстро затухает в волокне, так что использовать его можно только на коротких расстояниях (не более 1 км).

Гибкость оптического волокна.

Фотография, надеюсь, успокоит тех, кто привык видеть стекло бьющимся и хрупким.

Здесь изображено стандартное одномодовое волокно. То самое, 125 мкм кварцевого стекла, использующееся повсеместно. Из-за лакового покрытия оптоволокно способно выдерживать изгибы радиусом в 5 мм (хорошо видно на рисунке). Свет, а значит и сигнал через такой изгиб, увы, уже не проходит.

Маркировка и особенности конструкции оптоволоконных кабелей. Маркировка оптоволокна Маркировка оптоволоконного кабеля

|

Диаметр модового поля:

|

10 — для одномодового ОВ с несмещенной дисперсией,

↓

9,5 — для одномодового ОВ с ненулевой смещенной дисперсией, 50 — для многомодового ОВ,

Обозначение назначения кабеля, условий прокладки и конструктивных особенностей:

ОМЗКГМН: О - Оптический кабель, М – Магистральный, З – Внутризоновый, К – Канализация, Г – Грунт, М – Многомодульный , Н – Негорючий шланг. ОМЗКГЦ: О - Оптический кабель, М – Магистральный, З – Зоновый, К – Канализация, Г – Грунт, Ц – Одномодульный - центральная трубка.

ОКСТМ: ОК – Оптический кабель, СТ – Стальная гофрированная оболочка, М – Многомодульный.

ОКСТЦ: ОК – Оптический кабель, СТ – Стальная гофрированная оболочка, Ц – Одномодульный - центральная трубка.

ОККТМ: ОК – Оптический кабель, К – Канализация, Т – Трубы пластмассовые,М – Многомодульный.

ОККТЦ: ОК – Оптический кабель, К – Канализация, Т – Трубы пластмассовые, Ц – Одномодульный - центральная трубка.

ОКСНМ: ОК – Оптический кабель, С – Самонесущий, Н – Неметаллический, М – Многомодульный.

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) .

Оптоволоконные сети, безусловно, являются одним из самых перспективных направлений в области связи. Пропускные способности оптических каналов на порядки выше, чем у информационных линий на основе медного кабеля. Кроме того, оптоволокно невосприимчиво к электромагнитным полям, что снимает некоторые типичные проблемы медных систем связи, такие как грозы и электрические наводки. Оптические сети способны передавать сигнал на большие расстояния с меньшими потерями. Несмотря на то, что эта технология все еще остается дорогостоящей, цены на оптические компоненты постоянно падают, в то время как возможности медных линий приближаются к своим предельным значениям и требуются все больших затрат на дальнейшее развитие этого направления. В силу дороговизны оптический кабель пока используется для построения внешних магистралей, в пределах здания по прежнему используются медные провода.

В основе оптоволоконных технологий лежит принцип использования света, как основного источника информации. Отправитель преобразовывает информацию в световую волну, а адресат, получая последнюю, в свою очередь интерпретирует свет как информацию. Свет гораздо проще передать на дальнее расстояние с меньшими потерями, нежели электрический ток. Кроме того, он не подвержен воздействию электромагнитных полей и способен передавать на порядки большее количество информации. С другой стороны оптические технологии во многом являются более тонкими, поэтому качественная реализация оптоволоконного проекта требует детального понимания механизма передачи света и применяемых законов оптики.

Преимущества ВОЛС.

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 чрезвычайно высокой частотой несущей 1014Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания - это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.

Высокая помехозащищенность.

Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, 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 проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.

Высокая защищенность от несанкционированного доступа.

Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить "взламываемый" канал связи и подать сигнал тревоги. Сенсорные системы, использующие интерференционные эффекты распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации) имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Такие системы особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.

Гальваническая развязка элементов сети.

Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать электрических "земельных" петель, которые могут возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным 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.

Длительный срок эксплуатации.

Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако, благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет.

О стандартах оптоволокна .

Оптические волокна производятся разными способами, обеспечивают передачу оптического излучения на разных длинах волн, имеют различные характеристики и выполняют разные задачи.

Все оптические волокна делятся на две основные группы: многомодовые MMF (multi mode fiber) и одномодовые SMF (single mode fiber).

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые (step index multi mode fiber) и

градиентные (graded index multi mode fiber).

Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые одномодовые волокна (step index single mode fiber) или стандартные волокна SF (standard fiber), на волокна со смещенной дисперсией DSF (dispersion-shifted single mode fiber), и на волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (non-zero dispersion-shifted single mode fiber)

Типы и размеры волокон приведены на рис. 2.1. Каждое волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления. Сердцевина, по которой происходит распространение светового сигнала, изготавливается из оптически более плотного