3.3 Физические среды передачи данных информационно вычислительных сетей (2/2)

Волоконно-оптические кабели

Волоконно-оптические кабели состоят из центрального проводника света (сердцевины) - стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла - оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина.Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки.

Рисунок 65 . Волоконно-оптический кабель

В зависимости от распределения показателя преломления и отвеличины диаметра сердечника различают:

· многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления;

· многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления;

· одномодовое волокно.

В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется модой луча. В многомодовых кабелях с плавным изменением коэффициента преломления режим распространения каждой моды имеет более сложный характер.

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62,5 микрон в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения— каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколо-подобный.

Многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя 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.

Рисунок 66 . Многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления

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.

Понятие«мода» описывает режим распространения световых лучей во внутреннем сердечнике кабеля.

Межмодовая дисперсия- дисперсия электромагнитного излучения, возникающая в многомодовых световодах из-за наличия в них большого числа мод с различным временем распространения

Многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления

Отличается от ступенчатого тем, что показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние межмодовой дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиент ноговолокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т.д.

Рисунок 67. Градиентное многомодовое оптоволокно

В многомодовых кабелях (Multi Mode Fiber, MMF)используются более широкие, чем в одномодовых, внутренние сердечники. В стандартах определены два наиболее употребительных многомодовых кабеля:62,5/125 мкм и 50/125 мкм, где 62,5 мкм или 50 мкм - это диаметр центрального проводника, а 125 мкм - диаметр внешнего проводника.

Рисунок 68. Многомодовый оптический кабель в разрезе.

Многомодовые кабели имеют более узкую полосу пропускания -от 500 до 800 МГц/км. Сужение полосы происходит из-за потерь световой энергии при отражениях, а также из-за интерференции лучей разных мод.

Одномодовое волокно

Стандартное одномодовое оптическое волокно имеет диаметр сердцевины 7-9 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 2,5Гбит/с и выше без регенерации. Рабочие длины волн λ1 = 1,31 мкм и λ2 = 1,55мкм.

Рисунок 69. Одномодовое оптоволокно

В одномодовом кабеле (Single Mode Fiber, SMF)используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длиной волны света - от 5 до 10 мкм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника.Полоса пропусканияодномодового кабеля очень широкая - до сотен гигагерц на километр.

Рисунок 70 . Одномодовый оптический кабель в разрезе

Существует три основных типа одномодовых волокон:

Одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (стандартное) (англ. SMF— Step Index Single Mode Fiber),определяется рекомендациейITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи.

Одномодовое волокно со смещённой дисперсией (англ. DSF—Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяетсярекомендацией ITU-T G.653. В волокнахDSFс помощью примесей область нулевой дисперсии смещена в третье окно прозрачности, в котором наблюдается минимальное затухание.

Одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (англ. NZDSF—Non-Zero Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяетсярекомендацией ITU-T G.655.

Оптимизация трех перечисленных типов одномодовых волокон совершенно не означает, что они всегда должны использоваться исключительно под определенные задачи: SF - передача сигнала на длине волны 1310 нм,DSF- передача сигнала на длине волны 1550 нм,NZDSF-передача мультиплексного сигнала в окне 1530-1560 нм. Так, например,мультиплексный сигнал в окне 1530-1560 нм можно передавать и по стандартному ступенчатому одномодовому волокну SF. Однако длина без ретрансляционного участка при использовании волокна SF будет меньше, чем при использованииNZDSF, или иначе потребуется очень узкая полоса спектрального излучения лазерных передатчиков для уменьшения результирующей хроматической дисперсии.Максимальное допустимое расстояние определяется техническими характеристиками как самого волокна (затуханием, дисперсией), так и приемо-передающего оборудования (мощностью, частотой, спектральным уширением излучения передатчика, чувствительностью приемника).

Окна прозрачности оптоволокна

Окно прозрачности- диапазон длин волн оптического излучения, в котором имеет место меньшее, по сравнению с другими диапазонами, затухание излучения в среде, в частности - в оптическом волокне. Стандартное ступенчатое оптическое волокноSMFимеет три окна прозрачности: 850 нм, 1310 нм и 1550 нм. К настоящему времени разработаны четвёртое (1580 нм) и пятое (1400 нм) окна прозрачности, а так же оптические волокна, имеющие относительно хорошую прозрачность во всём ближнем инфракрасном диапазоне.

Неоднородность затухания света в оптическом волокне в разных диапазонах длин волн обусловлено не идеальностью среды,наличием примесей, резонирующих на разных частотах.

Затуханиев разных окнах прозрачности неодинаково: наименьшая его величина— 0,22дБ/км наблюдается на длине волны1550 нм, поэтому третье окно прозрачности используется для организации связи на большие расстояния. Во втором окне прозрачности (1310 нм) затухание выше,однако для этой длины волны характерна нулевая дисперсия, поэтому второе окно используется на городских и зоновых сетях небольшой протяжённости. Первое окно прозрачности используется в офисных оптических сетях.

Первоначально, в 70-х годах, системы волоконно-оптической связи использовали первое окно прозрачности, поскольку выпускаемые в то время GaAs-лазеры работали на длине волны 850 нм. В настоящее время этот диапазон из-за большого затухания используется только в локальных сетях.

В 80-х годах были разработаны лазеры на тройных и четверных гетероструктурах, способные работать на длине волны 1310 нми второе окно прозрачности стало использоваться для дальней связи.Преимуществом данного диапазона явилась нулевая дисперсия на данной длине волны, что существенно уменьшало искажение оптических импульсов.

Рисунок 71 . Окна прозрачности оптоволокна.

Третье окно прозрачности было освоено вначале 90-х годов. Преимуществом третьего окна является не только минимум потерь, но и тот факт, что на длину волны 1550 нм приходится рабочий диапазон волоконно-оптических эрбиевых усилители (EDFA). Данный тип усилителей, имеяспособность усиливать все частоты рабочей области, предопределил использование третьего окна прозрачности для систем со спектральным уплотнением (WDM).

Четвёртое окно прозрачности простирается до длины волны 1620 нм, увеличивая рабочий диапазон систем WDM.

Пятое окно прозрачности появилось в результате тщательной очистки оптического волокна от посторонних примесей.Таким образом, было получено оптическое волокно AllWave, имеющее малые потери во всей области от 1280 нм до 1650 нм.

Рисунок 72. Окна прозрачности оптоволокна.

Данный тип оптического волокна,производимый фирмой Lucentявляется достаточно интересным усовершенствованием стандартного одномодового волокна. В отличие от стандартного одномодового волокна данное оптическое волокно не имеет так называемого«водяного пика», т. е. увеличения поглощения на длине волны1,385 мкм, соответствующей спектру поглощения ионов OH. На этой длине волны поглощение составляет 0,31дБ/км. Данный тип оптического волокна предлагается использовать в локальных и местных сетях связи с небольшой протяженностьюрегенерационных участков, но с одновременным использованием всего спектрального диапазона от 1,3 до 1,6 мкм.

В связи с расширением рабочего диапазона оптических волокон Международным союзом электросвязи были утверждены новые спектральные диапазоны в интервале 1260…1675 нм:

Таблица 3 . Спектральные диапазоны

Международный союз электросвязи сокращённоМСЭ(англ. International Telecommunication Union,ITU) —международная организация, определяющая рекомендации в области телекоммуникаций и радио, а также регулирующая вопросы международного использования радиочастот(распределение радиочастот по назначениям и по странам).

В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются:

· светодиоды;

· полупроводниковые лазеры.

Для передачи информации применяется свет с длиной волны 1550 нм (1,55 мкм), 1300 нм (1,3 мкм) и 850 нм (0,85 мкм).Светодиоды могут излучать свет с длиной волны 850 нм и 1300 нм. Излучатели сдлиной волны 850 нм существенно дешевле, чем излучатели с длиной волны 1300 нм,но полоса пропускания кабеля для волн 850 нм уже, например 200 МГц/км вместо500 МГц/км.

Лазерные излучатели работают на длинах волн 1300 и 1550 нм. Быстродействие современных лазеров позволяет модулировать световой поток с частотами 10 ГГц и выше. Лазерные излучатели создают когерентный поток света, за счет чего потери в оптических волокнах становятся меньше, чем при использовании не когерентного потока светодиодов.

Использование только нескольких длин волн для передачи информации в оптических волокнах связанно с особенностью их амплитудно-частотной характеристики. Именно для этих дискретных длин волн наблюдаются ярко выраженные максимумы передачи мощности сигнала, а для других волн затухание в волокнах существенно выше.

Волоконно-оптические кабели присоединяют к оборудованию разъемами MTRJ,ST,FC,SC.

Рисунок 73 . Разъем FC

Рисунок 74 . Разъем SC

Рисунок 75 . Разъем MTRJ

Рисунок 76 . Разъем ST

Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками всех типов: электромагнитными, механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью). Однако у них есть один серьезный недостаток - сложность соединения волокон с разъемами и между собой при необходимости наращивания длины кабеля.