Волоконно-оптическая связь
Волоконно-оптическая связь — передача информации от одного места к другому, посредством импульсов света через оптическое волокно. Несущий сигнал представлен в виде электромагнитного излучения, которое модулируется полезным сигналом для дальнейшей передачи информации.
Основной характеристикой волоконно-оптической связи является полное внутренне отражение электромагнитных волн на границе раздела сред — с различными показателями преломления. Оптическое волокно состоит из двух главных элементов — сердцевины, являющейся непосредственно проводником света — световодом и оболочки. Показатель преломления сердцевины больше показателя преломления оболочки, благодаря чему луч света многократно переотражаясь на границе двух сред сердцевина-оболочка, распространяется в сердцевине, не выходя за её границы.
В 1970-х годах развитие оптических волоконных систем коммуникации коренным образом преобразовали телекоммуникационную промышленность и стали играть главную роль в понятии «Век Информации». Из-за преимуществ оптических сетей передачи данных перед электрической передачей сигнала, оптические волокна в значительной степени заменили медные проводные коммуникации в основных сетях.[1]
Основные направленияПравить
Процесс передачи сигналов посредством волоконной оптики состоит из:
- Преобразование электрического сигнала в оптический сигнал передатчиком,
- Передача оптического сигнала по оптическому волокну с сохранением его характеристик,
- Преобразование оптического сигнала приёмником в электрический сигнал.
ВведениеПравить
Оптическое волокно используется телекоммуникационными компаниями для передачи телефонных сигналов, интернет-коммуникаций и сигналов кабельного телевидения. Из-за очень низкого ослабления и искажения сигнала, оптическое волокно имеет большие преимущества перед существующим медным проводом особенно на длинных расстояниях сохраняя высокие требования к передающей информации. Однако, развитие инфраструктуры в пределах городов было относительно трудным и отнимали много времени. Оптические волоконные системы были сложны и дороги при установке и в эксплуатации. Из-за этих трудностей, оптические волоконные системы в коммуникациях связи были прежде всего внедрены в районах с большими протяжённостями, где они используются обеспечивая передачу полного объёма нужной информации, компенсируя высокую стоимость. С 2000 цены на оптические волоконно-оптические коммуникации значительно понизились. Цена за подводку волокна к дому в настоящее время стало более рентабельным, чем при применении медных кабелей.
С 1990, рост систем волоконно-оптической связи стал коммерчески более доступным, телекоммуникационная промышленность провела обширную сеть междугородних и океанских линий связи на основе оптического волокна. К 2002 межконтинентальная сеть связи достигла 250 000 км подводного кабеля с суммарной пропускной способностью более 2.56 Tb/s.[2]
ИсторияПравить
В 1966 Чарльз К. Као и Джордж Хокхам предложили оптические волокна в Лаборатории STC (STL), Harlow, они показали, что потери 1000 дБ/км в существующем стекле (по сравнению с 5-10 дБ/км в коаксиальном кабеле) происходят из-за примесей, которые потенциально могут быть удалены.
Оптическое волокно было описано в 1970, в работе «Грануло-стеклянные работы», где сообщалось о получении волокна с низким ослаблением сигнала для использования в средствах связи (20dB/km) и в то же самое время были получены первые полупроводниковые лазеры на основе Арсенида Галия GaAs. Они были экономичными и компактными, и поэтому идеально подходили для использования в качестве передатчиков используемых для формирования оптических сигналов, для дальнейшей передачи по волоконно-оптическим кабелям на длинные расстояния.
После периода исследования, начинающегося с 1975, была создана первая коммерческая оптико-волоконная система связи, которая работала на длинах волн приблизительно 0.8 мкм и использовала полупроводниковые лазеры на основе Арсенида Галия GaAs. Эта система первого поколения работала с небольшой скоростью передачи сигнала 45 Mbps с интервалом между ретрансляторами до 10 км. Вскоре, 22 апреля 1977, было передано первое живое видео по телефонным коммуникациям, через оптическое волокно со скоростью в 6 Mbps в Лонг-Бич, Калифорнии.
Второе поколение оптическо-волоконной связи получило развитие для коммерческого использования в начале 1980-ых. Это оборудование уже работало с длинами волн в 1,3 мкм, и использовало лазеры на основе сложных четверных полупроводниковых систем InGaAsP. Хотя это оборудование и было первоначально ограничено дисперсией сигнала в волокне, в 1981 был найден способ для значительного улучшения работы этого оборудования. К 1987, было создано оборудование позволяющее передавать информацию на скоростях до 1.7 Gb/s с расстоянием между ретрансляторами до 50 км.
Первый трансатлантический телефонный кабель, использующий оптическое волокно, основанный на TAT-8. Дезервайр, оптимизировал лазерную технологию усиления сигнала. Эта линия вошла в эксплуатацию в 1988.
Оптические волоконно-оптические системы третьего поколения использующие в работе длину волны 1.55 мкм, имели потери приблизительно 0.2 дВ/км. Они достигли этого несмотря на большие трудности связанные с распространением импульса на этой длине волны, при использовании обычных лазеров на основе полупроводниковой системы InGaAsP. Ученые преодолели эту трудность при использовании волокон со смещённой дисперсией, разработанных так, чтобы иметь минимальную дисперсию в области спектра 1.55 мкм. ограничивая спектр пропускания единственной полосой. Эти достижения в конечном счете позволили системам третьего поколения работать коммерчески со скоростями 2.5 Gbit/s с расстояниями между ретрансляторами свыше 100 км.
Четвертое поколение оптических волоконных систем коммуникации, использовало оптическое усиление сигнала для уменьшения потребности в промежуточных ретрансляторах и использовало мультиплексирование (разделение) на разные длины волн, чтобы увеличить скорость передачи данных. Эти два усовершенствования вызвали революцию, которая привела к удвоению производительности системы каждые 6 месяцев, начинающейся в 1992 г. Это продолжалось до тех пор, пока не было достигнута производительность более 10 Tb/s к 2001 г. Недавно, скорости передачи дошла до 14 Tbit/s, которые были достигнуты по единственной 160-километровой линии, с использованием оптических усилителей.
Основа для развития пятого поколения оптических волоконных коммуникаций, состоит в расширении диапазона длин волн, на которых может работать система WDM. Обычное окно пропускания кварца, известное как полоса C, покрывает только диапазон длин волн 1.53-1.57 мкм, новое широкополосное волокно (без т. н. водяного пика поглощения) имеет более широкое окно прозрачности, обещающее расширение диапазона вплоть до 1.30-1.65 мкм.
ТехнологияПравить
Современные оптико-волоконнные системы связи включают в себя оптические приёмо-передающие устройства, преобразовывающие электрический сигнал в оптический и наоборот. Этот сигнал передаётся в оптический волоконный кабель, содержащий множество паралельных оптических волокон, который проложен по подземным/воздушным коммуникационным путям и по зданиями. Оптические системы включают в себя многочисленные виды различных усилителей, преобразователей, оптических приемников, передатчиков, соединительных муфт, ответвителей, мультиплексоров, коммутаторов приспособленных для передачи оптического сигнала как электрического или цифрового. Передаваемая информация — как правило цифровая информация, синтезированная компьютерами, телефонными системами и устройствами кабельного телевидения.
ПередатчикиПравить
Наиболее часто используемые оптические передатчики — это полупроводниковые приборы, свето излучающие диоды (СИД) и лазерные диоды. Различие между СИД и лазерными диодами в том, что СИД излучают не когерентное оптическое излучение, в то время как излучение лазерных диодов когерентно. Для использования в оптических коммуникациях полупроводниковые оптические передатчики должны быть компактным, эффективным, и надежным, работать в оптимальном диапазоне длин волн, и быть работоспособными на высоких частотах.
Явление, при котором при прохождении тока через открытый P/N переход в прямом направлении происходит излучение фотонов называют электролюминисценцией. Испускаемое при этом излучение является не когерентным с относительно широкой спектральной шириной 30-60 нм. Эффективность первых светоизлучающих диодов была невелика. Однако, из-за относительно простого устройства и недорого производства, светоизлучающие диоды СИД были идеальны при использовании в недорогих устройствах.
Светоизлучающие диоды СИД для волоконно-оптического оборудования обычно сделаны на базе фосфида арсенида галлия (GaAsP) или арсенида галлия (GaAs). Поскольку СИД на основе GaAsP излучают на более длинноволновых диапазонах, чем СИД на основе GaAs (1.3 микрометра против 0.81-0.87 микрометров), их спектр излучения имеет большую величину, приблизительно в 1.7. Большая ширина спектра СИД вызывает более высокую дисперсию излучения в волокне, значительно ограничивая этим скорость передачи информации. Излучатели на основе СИД наиболее подходят прежде всего для использования в локальных сетях со скоростями передачи информации 10-100 Mbit/s и расстояниями до нескольких километров. Современные СИД могут излучать на различных длинах волн и используются в настоящее время для локальной сетей построенных по технологии WDM (Wavelength Division Multiplexing).
Полупроводниковый лазер генерирует излучение посредством стимулируемой эмиссии, а не непосредственную эмиссии (как в светоизлучающих диодах), которая позволяет получать высокую выходную мощность сигнала (~100 мВт) а так-же имеет и другие преимущества, связанные с природой когерентного излучения. Излучение полупроводникового лазера относительно направленно, позволяя получать высокую эффективность при передаче сигнала в оптических одномодовых волокнах. Узкая спектральная ширина излучения позволяет получать высокие скорости передачи информации, так как это связано с уменьшением эффекта модовой дисперсии. Кроме того, полупроводниковые лазеры легко могут быть промодулированы в области высоких частот из-за короткого времени рекомбинации носителей заряда в P/N переходе.
Непосредственное модулирование сигналом светоизлучающего диода позволяет строить относительно простые преобразователи электрических сигналов в оптические.
ПриёмникиПравить
Главный компонент оптического фотоприемника — фотодатчик, который преобразовывает излучение оптического диапазона в электрический сигнал, используя фотоэлектрический эффект. Фотодатчик — обычно фотодиод изготовленный на основе полупроводника. Используются несколько типов фотодиодов: p-n фотодиоды, лавинные фотодиоды, фотодиоды Шотки.
Оптические преобразователи "конвертеры" при помощи фотодатчика преобразуют оптический сигнал в электрический, усиливают его до необходимого уровня, затем формируют его в цифровой сигнал поступающий на коммуникационное оборудование.
Оптическое волокноПравить
Оптическое волокно (световод) — стеклянное или пластмассовое волокно, проводящее свет по его длине.
Нити из оптически прозрачного материала используются для передачи информации световыми импульсами с использованием эффекта полного внутреннего отражения.
Оптические волокна используются в сетях передачи данных вместо медных проводов, т.к. сигналы проходят по ним с меньшими потерями и что очень важно, совершенно не подвержены действию внешних электромагнитных излучений.
УсилителиПравить
Расстояние передачи оптической волоконной системы связи было традиционно ограничено ослаблением передачи сигнала волокном и искажением информации. При использовании оптико электронных ретрансляторов, эти проблемы были устранены. Данные ретрансляторы преобразовывают оптический сигнал в электрический, усиливают его и затем, используя передатчик, снова преобразовывают электрический сигнал в оптический и посылают в волокно оптический сигнал уже более высокой интенсивности. Из-за высокой сложности при современном мультиплексировании сигналов с разделением длины волны (включая тот факт, что они должны были быть установлены на расстояниях каждые 20 км), стоимость этих ретрансляторов была очень высока.
Альтернативный подход состоит в том, чтобы использовать оптический усилитель, который усиливает оптический сигнал непосредственно в оптическом волокне, при этом отпадает необходимость в преобразовании сигнала в электрический. Это достигнуто в оптических усилителях использующих специальное оптическое волокно легированное редко-земным элементами и при использовании энергии накачки в виде светового сигнала от лазера с более короткой длиной волны, чем передающийся сигнал (обычно 980 нм). Усилители на активном оптическом волокне в значительной степени заменили устаревшие (с промежуточным преобразованием в электрический сигнал) ретрансляторы в новых системах дальней связи.
Разделение длины волныПравить
Разделение длины волны мультиплексированием (WDM, CWDM) — практика увеличения пропускной способности оптического волокна, добавлением новых каналов, при этом каждый новый канал работает на своей длине волны. Эту функцию выполняет мультиплексор, распределяя длины волны в передающем оборудовании и демультиплексор преобразующий сигнал каждой из длин волн в отдельности и совмещающий их в приёмном оборудовании. Используя технологию (WDM, CWDM), теперь коммерчески доступная полоса пропускания сигнала в одном волокне может быть расширена до 160 каналов.[3] При этом возможна поддержка скоростей передачи информации на уровне нескольких терабит в секунду.
ДисперсияПравить
Для современных оптических волоконных световодов изготовленных на основе кварца, максимальное расстояние передачи сигнала (оптического импульса) ограничено не столько прямым материальным поглощением, сколько влиянием значительно более серьёзных эффектов, например дисперсии.
Искажения, обусловленные дисперсией времени задержки отдельных мод, называются модовой дисперсией. Она обуславливает тот факт, что короткий световой импульс уширяется (во времени) по мере прохождения по ступенчатому световоду. Это является недостатком для оптических систем передачи информации, так как уменьшает скорость передачи и полосу пропускания.
Эта модовая дисперсия может быть практически полностью исключена, если структурные параметры ступенчатого световода подобрать таким образом, что в нем будет направляться только одна мода, а именно — фундаментальная (основная) мода LP01.
Однако, основная мода также уширяется во времени по мере её прохождения по такому световоду. Это явление называется хроматической дисперсией. Поскольку она является свойством материала, она, как правило, имеет место в любом оптическом световоде. По сравнению с модовой дисперсией, хроматическая дисперсия в диапазоне длин волн от 1200 до 1600 нм относительно мала или отсутствует.
Модовая дисперсия вызванная различием осевых скоростей различных поперечных мод, резко ограничивает расстояние (и скорость) передачи сигнала при использовании многомодового волокна. В отличии от многомодового волокна, одномодовое оптическое волокно поддерживает только одну поперечную моду, поэтому влияние модовой дисперсии на распространение волны в одномодовом волокне практически отсутствует.
Однако, дисперсия в одномодовом волоконном световоде присутствует. Она состоит из дисперсии двух типов. С одной стороны, существует дисперсия материала, вызываемая зависимостью показателя преломления и, следовательно, скорости света от длины волны. С другой стороны, существует волноводная дисперсия, возникающая в результате зависимости распределения света фундаментальной моды LP01 по стеклу сердцевины и оболочки и, следовательно, разности показателей преломления от длины волны. Оба типа дисперсии, вместе взятые и называются хроматической дисперсией.
Зависимость между расстоянием, скоростью передачи и полосой пропусканияПравить
Присутствие эффекта дисперсии накладывает существенные ограничения на дальность, скорость передачи сигнала и полосу пропускания волокна. Например в многомодовых волокнах передачу сигналов на скорости до 100 МБит/сек возможно осуществлять на расстояние до 2-х километров. При увеличении скорости передачи сигналов на порядок, до 1000 МБит/сек максимальное расстояние резко сокращается, так для волокна 50/125 оно составляет 500 метров, а для волокна 62,5/125 оно составляет не более 220 метров. В настоящее время применение многомодовых волокон ограничено исключительно внутри объектовыми линиями связи. Этих ограничений лишены одномодовые оптические волокна на которых можно создавать протяжённые лини связи работающие на значительно больших скоростях.
Ослабление сигнала (затухание)Править
Свет по мере распространения в световоде затухает, то есть теряет энергию. Эти потери при прохождении сигнала по оптическому волокну должны быть минимальными для того, чтобы можно было покрывать большие расстояния без установки ретрансляторов. Затухание обуславливается главным образом физическими процессами — поглощением и рассеянием.
Величина потерь света зависит, в числе прочих причин, от длины волны вводимого света. Необходимо измерять затухание в световоде как функцию длины волны для того, чтобы определить диапазон длин волн с малым затуханием, пригодным для оптической связи.
Существуют процессы поглощения, которые происходят только при определённых длинах волн, так называемых полосах поглощения (например ОН — поглощение при длине волны 1390 нм). Кроме этого присутствует и потеря света из-за рассеяния имеющая место при всех длинах волн. Так как рассеяние в световоде обусловливается флуктуациями плотности (неоднородностями) с размерами, которые, как правило, меньше длины волны света, для объяснения этого процесса можно с хорошим приближением использовать закон рассеяния Рэлея. Он гласит, что по мере увеличения длины волны потери из-за рассеяния убывают пропорционально длине волны в четвёртой степени.
Сравнивая потери из-за рассеяния, например, для длин волн 850 нм, 1310 нм и 1550 нм, которые важны для оптических систем связи, видно, что потери из-за рассеяния при длине волны 1310 нм составляют всего 18%, а при длине волны 1550 нм — лишь 9% от величины потерь при длине волны 850 нм. Именно поэтому эксплуатация оптико-волоконных кабелей на этих длинах волн наиболее предпочтительна.
Диапазоны волн передачи сигналовПравить
Каждый из факторов, который вносит свой вклад в ослабление передачи сигнала оптическим волокном и дисперсию, зависит от длины волны излучения используемого для передачи сигналов, однако существуют участки длин волн, где эти эффекты проявляются слабее, делая эти полосы или окна самыми благоприятными для передачи. Эти окна "прозрачности" были стандартизированы, и их обозначают следующим образом: [5]
| Полоса | Описание | Длины волн |
|---|---|---|
| О полоса | стандартная | 1260 to 1360 нм |
| E полоса | расширенная | 1360 to 1460 нм |
| S полоса | коротковолновая | 1460 to 1530 нм |
| C полоса | ("окно эрбия") | 1530 to 1565 нм |
| L полоса | длиноволнновая | 1565 to 1625 нм |
| U полоса | ультрадлинноволновая | 1625 to 1675 нм |
Это разделение по длинам волн показывает, что существующая технология позволила объединить второе и третье окна прозрачности кварца в одно окно. Первоначально, эти окна прозрачности кварца были не пересекающимися.
Исторически, первым используемым диапазоном длин волн был диапазон от 800 нм до 900 нм; однако высокие потери в этом диапазоне ограничивали его использование тлько для связи на коротком расстоянии. Второе окно прозрачности — находится в области приблизительно 1310 нм, и имеет намного более низкие потери. Созданы волокна имеющие в этом диапазоне нулевую дисперсию. Третье окно прозрачности - находится в области 1550 нм и оно наиболее широко используется в настоящее время. Эта область имеет самые низкие потери ослабления сигнала и, следовательно, наиболее подходит для связи на большие расстояния. Тем не менее волокна в этой области имеют небольшую дисперсию и необходимо использование специальных "компенсаторов дисперсии" для компенсации вызванных ею потерь.
РегенерацияПравить
В случаях, когда линия связи должна охватить расстояние большее чем то, на которое способна существующая технология, сигнал должен быть восстановлен в промежуточных пунктах при помощи ретрансляторов. Ретрансляторы добавляют существенную стоимость в систему связи поэтому проектировщики систем пытаются минимизировать их использование.
Последние достижения в производстве оптических волокон и в технологии оборудования, используемого для коммуникаций связи, существенно уменьшили деградацию сигнала в линии. В настоящее время регенерация (восстановление) оптического сигнала в линиях связи необходимо на расстояниях, превышающих несколько сотен километров. Это существенно уменьшило стоимость организации оптической сети, особенно по подводным участкам, там где стоимость и надежность ретрансляторов — один из ключевых факторов, определяющих работу целой кабельной системы. Главные достижения, вносящие свой вклад в эти технологии, это возможность управления дисперсией, и применяемые солитоновые излучатели, которые используя нелинейные эффекты в волокне, позволяют передавать сигнал без дисперсии по длинным кабелям, покрывающим большие расстояния.
Сравнение среды передачи данныхПравить
В настоящее время при выборе среды передачи сигналов (между оптическим кабелем или медным кабелем) предпочтение отдаётся оптическим кабелям.
Далее идёт машинный перевод, требуется правка!
В обласит связи оптическое волокно вообще выбирается для систем, требующих более высокой полосы пропускания или охватывающих более длинные расстояния, чем электрическое телеграфирование. Главные выгоды волокна — его исключительно низкая потеря, позволяющая покрыть длинные расстояния между усилителями или ретрансляторами; и ее неотъемлемо высокая пропускная способность данных, таких, что тысячи электрических связей были бы обязаны заменять единственный высокопропускаемый кабель из оптического волокна в возможности пропускания огромной полосы волн. Другая выгода волокон та, что даже когда работают друг рядом с другом на длинных расстояниях, волокно изолировано и по своей физике работы не способно создавать помехи соседнему кабелю. Волокно может быть установлено в областях с высоким электромагнитным излучениями , (со сторонам сервисных линий, несущих власть линий, и следов железной дороги). Все они диэлектрические кабели в случаях действия молнии при этом не нарушая функционирования.
Для сравнения, в то время как единственная линия системы кабелей из медных проводов в пределах более, чем нескольких километров, требуют действующих ретрансляторов сигнала для удовлетворительной работы; что весьма обычно для оптических систем пробежаться через 100 километров (60 миль), без активной или пассивной обработки. Кабели волокна единственного способа обычно доступны в 12-ти километровых длинах, минимизируя число соединений, требуемые для длинного кабеля, которым управляют. Многорежимное волокно доступно в длинах до 4 км, хотя индустриальные стандарты пнименяют с длиной в 2 км, дающие высокие гарантии в безаварийной связи.
На коротких расстояниях и относительно низких требованиях числа полос пропускания, электрическая передача часто предпочитается из-за:
- Уменьшенной материальной стоимости, где не требуются большие количества;
- Низкой стоимость передатчиков и приемников;
- Способности нести электроэнергию так же как сигналы (в особенно-разработанных кабелях);
- Непринужденность операционных преобразователей в способе прокладки линий;
Оптические волокна более трудоёмки и дороги при соединениях. В более энергоёмких оптических условиях оптические волокна восприимчивы к плавкому предохранителю волокна, которых немного и что слишком большая вероятность с дефицитом волокна, который может разрушаться несколько метров в секунду. Установка движения по кругу обнаружения плавкого предохранителя волокна в передатчике может нарушить кругооборот и минимизировать повреждение.
Из-за этих выгод электрической передачи, оптическая коммуникация не обычна в короткой коробке-к-коробке, объединительной плате, или заявлениях чипа-к-чипу; однако, оптические системы в тех вариантах сравнений демонстрировались успешно в лаборатории.
В определенных ситуациях волокно может использоваться даже для короткого расстояния или низких заявлений полосы пропускания, из-за других важных особенностей:
- Неприкосновенность к электромагнитному вмешательству, включая ядерный электромагнитный пульс (хотя волокно может быть повреждено альфой и бета радиацией).
- Высокого электрического сопротивления, делая это закрытым, чтобы использовать близкое оборудование высокого напряжения или между областями с различными земными потенциалами.
- Легкого веса, например, в самолете.
- Не огнеопасно или взрывоопасно в случаях газовой окружаюшей среды.
- Не подвергается электромагнитному излучению и трудоёмкое при обнаружение, не подавая и не воспринимая сигналов в окружающей среде, обладая высокой безопасностью.
- Намного меньший размер кабеля, где ограничена зона проложения вслучаях организации сети связи существующего здания, где можно сверлить меньшие каналы и может быть использовано в существующих кабельных трубочках и подносах.
Оптические кабельные волокна могут быть установлены в зданиях с тем же самым оборудованием, которое используется, чтобы установить медные и коаксиальные кабели, с некоторыми модификациями из-за небольшого размера и ограниченной напряженности напряжения и радиуса изгиба оптических кабелей. Оптические кабели могут типично устанавливаться в системах труб в промежутках 6000 метров или больше в зависимости от условия трубопровода и инсталяционной системы. Более длинные кабели могут быть намотаны в промежуточном пункте и тянуться дальше в системе трубопровода по мере необходимости.
См. такжеПравить
ПримечанияПравить
- ↑ An optical fiber will break if it is bent too sharply. Alwayn, Vivek (2004-04-23). "Splicing". Fiber-Optic Technologies. Cisco Systems. http://www.ciscopress.com/articles/article.asp?p=170740&seqNum=9&rl=1. Retrieved 2006-12-31.
- ↑ http://en.wikipedia.org/wiki/Fiber-optic_communication
- ↑ Infinera Introduces New Line System Infinera Corp press release, Retrieved 2009-08-26
СсылкиПравить
- Encyclopedia of Laser Physics and Technology
- Fiber-Optic Technologies by Vivek Alwayn
- Govind P. Agrawal Fiber-optic communication systems. — New York: John Wiley & Sons, 2002. — ISBN 0-471-21571-6о книге