Оптика открывает широкие возможности там, где требуются высокоскоростные коммуникации с высокой пропускной способностью. Это хорошо себя зарекомендовавшая, понятная и удобная технология. В АудиоВизуальной области она открывает новые перспективы и предоставляет решения, недоступные с помощью других методов. Оптика проникла во все ключевые направления — системы наблюдения, диспетчерские и ситуационные центры, на военные и медицинские объекты, в зоны с экстремальными условиями эксплуатации. ВОЛС обеспечивают высокую степень защиты конфиденциальной информации, позволяют передавать несжатые данные типа графики с высоким разрешением и видео с точностью до пикселя. Новые стандарты и технологии ВОЛС. Волокно — будущее СКС(структурированных кабельных систем)? Строим сеть предприятия.

Оптоволоконный (он же волоконно-оптический) кабель - это принципиально иной тип кабеля по сравнению с рассмотренными двумя типами электрического или медного кабеля. Информация по нему передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент - это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.

Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля (рис. 1.). Только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром около 1 - 10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции - стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. В данном случае речь идет о режиме так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется. Однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей).

Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как при этом нарушается целостность кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 1012 Гц, то есть 1000 ГГц, что несравнимо выше, чем у электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля.

Типичная величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, используемых в локальных сетях, составляет от 5 до 20 дБ/км, что примерно соответствует показателям электрических кабелей на низких частотах. Но в случае оптоволоконного кабеля при росте частоты передаваемого сигнала затухание увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы, у него просто нет конкурентов.

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) позволяют передавать аналоговые и цифровые сигналы на дальние расстояния, в некоторых случаях - на десятки километров. Они также используются на малых, более «управляемых» расстояниях, например, внутри зданий. Примеры решений по построению СКС (структурированных кабельных систем) для построения сети предприятия находятся здесь: Строим сеть предприятия: Схема построения СКС - Оптика по горизонтали. , Строим сеть предприятия: Схема построения СКС - Централизованная оптическая кабельная система. , Строим сеть предприятия: Схема построения СКС - Зоновая оптическая кабельная система.

Преимущества оптики хорошо известны: это иммунитет к шумам и помехам, малый диаметр кабелей при огромной пропускной способности, устойчивость к взлому и перехвату информации, отсутствие нужды в ретрансляторах и усилителях и т.д.
Когда-то были проблемы с оконечной заделкой оптических линий, но сегодня они в основном решены, так что работать с этой технологией стало гораздо проще. Есть, однако, ряд вопросов, которые надо рассматривать исключительно в контексте областей применения. Как и в случае с передачей по «меди» или радиоканалу, качество волоконно-оптической связи зависит от того, насколько хорошо согласованы выходной сигнал передатчика и входной каскад приемника. Некорректная спецификация мощности сигнала приводит к увеличению коэффициента битовых ошибок при передаче; мощность слишком большая — и усилитель приемника «перенасыщается», слишком малая — и возникает проблема с шумами, поскольку они начинают мешает полезному сигналу. Вот два наиболее критичных параметра ВОЛС: выходная мощность передатчика и потери при передаче — затухания в оптическом кабеле, который соединяет передатчик и приемник.

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.

Тип кабеля определят количество режимов распространения или «путей», по которым свет проходит внутри кабеля.

Многомодовый кабель , наиболее часто используемый в небольших промышленных, бытовых и коммерческих проектах, имеет самый высокий коэффициент ослабления и работает только на коротких расстояниях. Более старый тип кабеля, 62,5/125 (эти цифры характеризуют внутренний/ внешний диаметры световода в мкм), часто называемый «OM1», имеет ограниченную пропускную способность и используется для передачи данных со скоростью до 200 Мбит/с.
Недавно стали применять кабели 50/125 «OM2» и «OM3», предлагающие скорости 1Гбит/с на расстояниях до 500 м и 10 Гбит/с на до 300 м.

Одномодовый кабель используется в высокоскоростных соединениях (выше 10 Гбит/с) или на длинных дистанциях (до 30 км). Для передачи аудио и видео наиболее целесообразным является применение кабелей «OM2».
Вице-президент европейского отделения компании Extron по маркетингу Райнер Штайль отмечает, что оптоволоконные линии стали более доступными, их чаще применяют для организации сети внутри зданий — это ведет к росту применения АВ-систем на основе оптических технологий. Штайль говорит: «В плане интеграции ВОЛС уже сегодня обладают несколькими ключевыми преимуществами.
По сравнению с аналогичной медно-кабельной инфраструктурой оптика позволяет использовать одновременно и аналоговые, и цифровые видеосигналы, обеспечивая единое системное решение для работы с существующими, а также с перспективными видеоформатами.
Кроме того, т.к. оптика предлагает очень высокую пропускную способность, тот же кабель будет работать с большими разрешениями и в будущем. ВОЛС легко адаптируется к новым стандартам и форматам, появляющимся в процессе развития АВ-технологий».

Другим признанным экспертом в этой области является Джим Хейз, президент Американской Волоконно-Оптической Ассоциации, созданной в 1995 году, способствующей росту профессионализма в области волоконной оптики и, между прочим, насчитывающей в своих рядах более 27000 квалифицированных специалистов по установке и внедрению оптических систем. Он говорит о росте популярности ВОЛС следующее: «Выгода - в быстроте инсталляции и дешевизне комплектующих. Растет применение оптики в сфере телекоммуникаций, особенно в системах Fiber-To-The-Home* (FTTH) с поддержкой беспроводного доступа , а также в сфере безопасности (камеры наблюдения).
Похоже, что сегмент FTTH растет быстрее других рынков во всех развитых странах. Здесь, в США, на оптике построены сети управления дорожным движением, муниципальных служб (администрация, пожарные, полиция), учебных заведений (школы, библиотеки).
Растет количество пользователей Интернет — и у нас быстро строятся новые центры обработки данных (ЦОД), для взаимосвязи которых используется оптоволокно. Ведь при передаче сигналов со скоростью 10 Гбит/с затраты аналогичны «медным» линиям, но оптика потребляет значительно меньше энергии. Долгие годы приверженцы волокна и меди «бились» друг с другом за приоритет в корпоративных сетях. Зря потраченное время!
Сегодня связь по WiFi стала настолько хорошей, что пользователи нетбуков, ноутбуков и iPhon’ов отдали предпочтение мобильности. И теперь в корпоративных локальных сетях оптику используют для коммутации с точками беспроводного доступа».
Действительно, областей применения оптики становится все больше, в основном, из-за указанных выше преимуществ перед медью.
Оптика проникла во все ключевые направления — системы наблюдения, диспетчерские и ситуационные центры, на военные и медицинские объекты, в зоны с экстремальными условиями эксплуатации. Снижение стоимости оборудования позволило использовать оптические технологии в традиционно «медных» областях - в конференц-залах и на стадионах, в розничной торговле и на транспортных узлах.
Райнер Штайль из Extron комментирует: «Волоконно-оптическое оборудование широко используется в медицинских учреждениях, например, для коммутации локальных видеосигналов в операционных. Оптические сигналы не имеют никакого отношения к электричеству, что идеально в плане обеспечения безопасности пациентов. ВОЛС прекрасно подходят и для медицинских учебных заведений, где необходимо распределять видеосигналы из нескольких операционных в несколько аудиторий, чтобы студенты могли наблюдать за ходом операции «вживую».
Волоконно-оптическим технологиям отдают предпочтение и военные, так как передаваемые данные трудно или даже невозможно «считать» извне.
ВОЛС обеспечивают высокую степень защиты конфиденциальной информации, позволяют передавать несжатые данные типа графики с высоким разрешением и видео с точностью до пикселя.
Возможность передачи на дальние расстояния делает оптику идеально подходящей для систем Digital Signage в крупных торговых центрах, где длина кабельных линий может достигать нескольких километров. Если для витой пары расстояние ограничено 450 метрами, то для оптики и 30 км не предел».
Что касается использования оптоволокна в АудиоВизуальной индустрии, то прогрессу здесь способствуют два основных фактора. Во-первых, это интенсивное развитие IP-основанных систем передачи аудио- и видео, которые опираются на сети с высокой пропускной способностью — для них ВОЛС подходят идеально.
Во-вторых, повсеместное требование передавать видео HD и компьютерные изображения HR на расстояния большие, чем 15 метров — а это предел для передачи HDMI по меди.
Есть случаи, когда видеосигнал просто невозможно «раздать» по медному кабелю и необходимо применить оптоволокно — такие ситуации стимулируют разработку новой продукции. Бьёнг Хо Пак, вице-президент по маркетингу компании Opticis, поясняет: «Для полосы данных UXGA, 60 Гц, и 24-битового цвета требуется общая скорость 5 Гбит/с, или 1,65 Гбит/с на каждый цветовой канал. HDTV имеет несколько меньшую пропускную способность. Производители «подталкивают» рынок, но и рынок одновременно «подталкивает» игроков использовать изображения более высокого качества. Есть отдельные области применения, где требуются дисплеи, способные отображать 3-5 млн пикселей или 30- 36-битовую глубину цвета. В свою очередь, для этого потребуется скорость передачи около 10 Гбит/с».
Сегодня многие производители коммутационного оборудования предлагают версии видео-удлинителей (экстендеров) для работы с оптическими линиями. ATEN International , TRENDnet , Rextron , Gefen и другие выпускают различные модели для целого ряда видео- и компьютерных форматов.
При этом служебные данные — HDCP** и EDID*** — могут передаваться с помощью дополнительной оптический линии, а в некоторых случаях — по отдельному медному кабелю, связывающему передатчик и приемник.
В результате того, что формат HD стал стандартом для рынка вещания, на других рынках — инсталляционном, например — тоже стали применять защиту от несанкционированного копирования контента в форматах DVI и HDMI, — говорит Джим Джачетта, старший вице-президент по разработкам компании Multidyne. — С помощью выпускаемого нашей компании устройства HDMI-ONE пользователи могут отправить видеосигнал с DVD- или Blu-Ray плеера на монитор или дисплей, расположенный на расстоянии до 1000 метров. Ранее ни одно устройство, работающее с многомодовыми линиями, не поддерживало систему защиты от копирования HDCP».

Те, кто работает с ВОЛС, не должны забывать и о специфических инсталляционных проблемах - концевой заделке кабелей. В этом плане многие производители выпускают как собственно разъемы, так и монтажные наборы, включающие в себя специализированный инструмент, а также химические препараты.
Между тем, любой элемент ВОЛС, будь то удлинитель, разъем или место состыковки кабелей, должен с помощью оптического измерителя быть проверен на предмет ослабления сигнала - это необходимо для оценки общего бюджета мощности (power budget, основной расчётный показатель ВОЛС). Естественно, собрать разъемы волоконных кабелей можно и вручную, «на коленке», но действительно высокое качество и надежность гарантируется только при использовании готовых, произведенных на заводе «разделанных» кабелей, подвергнутых тщательному многоступенчатому тестированию.
Несмотря на огромную пропускную способность ВОЛС, у многих всё еще остаётся желание «впихнуть» в один кабель побольше информации.
Здесь развитие идет в двух направлениях — спектрального уплотнения (optical WDM), когда в один световод направляется несколько световых лучей с разными длинами волн, а другое - сериализация / десериализация данных (англ. SerDes), когда параллельный код преобразуется в последовательный и обратно.
При этом оборудование для спектрального уплотнения стоит дорого из-за сложного проектирования и применения миниатюрных оптических компонентов, но не увеличивает скорость передачи. Применяемые в оборудовании SerDes высокоскоростные логические устройства также увеличивают расходную часть проекта.
Кроме того, сегодня выпускается оборудование, позволяющее мультиплексировать и демультиплексировать из общего светового потока управляющие данные - USB или RS232/485. При этом световые потоки можно отправлять по одному кабелю в противоположных направлениях, хотя цена выполняющих эти «трюки» приборов обычно превышает стоимость дополнительного световода для возврата данных.

Оптика открывает широкие возможности там, где требуются высокоскоростные коммуникации с высокой пропускной способностью. Это хорошо себя зарекомендовавшая, понятная и удобная технология. В АудиоВизуальной области она открывает новые перспективы и предоставляет решения, недоступные с помощью других методов. По крайней мере, без значительных рабочих усилий и денежных затрат.

В зависимости от основной области применения волоконно-оптические кабели подразделяются на два основных вида:

Кабель внутренней прокладки:
При монтаже ВОЛС в закрытых помещениях обычно применяется Волоконно-оптический кабель с плотным буфером (для защиты от грызунов). Используется для построения СКС в качестве магистрального или горизонтального кабеля. Поддерживает передачу данных на короткие и средние расстояния. Идеально подходит для горизонтального каблирования.

Кабель внешней прокладки:
Волоконно-оптический кабель с плотным буфером, бронированный стальной лентой, влагостойкий. Применяется для внешней прокладки при создании подсистемы внешних магистралей и связывают между собой отдельные здания. Может прокладываться в кабельные каналы. Подходит для непосредственной укладки в грунт.

Внешний самонесущий оптоволоконный кабель:
Волоконно-оптический кабель самонесущий, со стальным тросиком. Применяется для внешннй прокладки на большие расстояния в рамках телефонных сетей. Поддерживает передачу сигналов кабельного телевидения, а также передачу данных. Подходит для прокладки в кабельной канализации и воздушной прокладки.

Преимущества ВОЛС:

• Передача информации по ВОЛС имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю. Стремительное внедрение в информационные сети Волс 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.
• Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более.
• Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с малой ибыточностью кода.
• 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.
• Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см, может быть заменен одним волокном с диаметром 0,1 см. Если волокно “одеть” в множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого ВОК будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.
• 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.
• Взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.
• Экономичность ВОЛС. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличии от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. При этом ВОК позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК. При использовании солитонных систем передачи достигнуты дальности в 4000 км без регенерации (то есть только с использованием оптических усилителей на промежуточных узлах) при скорости передачи выше 10 Гбит/с.
• 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. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающих систем.
• Удаленное электропитание. В некоторых случаях требуется удаленное электропитание узла информационной сети. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля. Однако, в этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медным проводящим элементом. Такой кабель широко используется как в России, так и за рубежом.

Однако оптоволоконный кабель имеет и некоторые недостатки:

• Самый главный из них - высокая сложность монтажа (при установке разъемов необходима микронная точность, от точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъеме). Для установки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. В любом случае для этого нужна высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому чаще всего оптоволоконный кабель продается в виде заранее нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разъемы нужного типа. Следует помнить, что некачественная установка разъема резко снижает допустимую длину кабеля, определяемую затуханием.
• Также надо помнить, что использование оптоволоконного кабеля требует специальных оптических приемников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно, что порой существенно увеличивает стоимость сети в целом.
• Оптоволоконные кабели допускают разветвление сигналов (для этого производятся специальные пассивные разветвители (couplers) на 2—8 каналов), но, как правило, их используют для передачи данных только в одном направлении между одним передатчиком и одним приемником. Ведь любое разветвление неизбежно сильно ослабляет световой сигнал, и если разветвлений будет много, то свет может просто не дойти до конца сети. Кроме того, в разветвителе есть и внутренние потери, так что суммарная мощность сигнала на выходе меньше входной мощности.
• Оптоволоконный кабель менее прочен и гибок, чем электрический. Типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10 - 20 см, при меньших радиусах изгиба центральное волокно может сломаться. Плохо переносит кабель и механическое растяжение, а также раздавливающие воздействия.
• Чувствителен оптоволоконный кабель и к ионизирующим излучениям, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна, то есть увеличивается затухание сигнала. Резкие перепады температуры также негативно сказываются на нем, стекловолокно может треснуть.
• Применяют оптоволоконный кабель только в сетях с топологией звезда и кольцо. Никаких проблем согласования и заземления в данном случае не существует. Кабель обеспечивает идеальную гальваническую развязку компьютеров сети. В будущем этот тип кабеля, вероятно, вытеснит электрические кабели или, во всяком случае, сильно потеснит их.

Перспективы развития ВОЛС:

• В связи с ростом требований, предъявляемых новыми сетевыми приложениями, становится все более актуальным применение оптоволоконных технологий в структурированных кабельных системах. Каковы же преимущества и особенности использования оптических технологий в горизонтальной кабельной подсистеме, а также на рабочих местах пользователей?
• Проанализировав изменения сетевых технологий за последние 5 лет, легко заметить, что медные стандарты СКС отставали от гонки "сетевых вооружений". Не успев инсталлировать СКС третьей категории, предприятиям приходилось переходить на пятую, сейчас уже и на шестую, а не за горами использование седьмой категории.
• Очевидно, развитие сетевых технологий не остановится на достигнутом: гигабит на рабочее место вскоре станет стандартом де-факто, а впоследствии и де-юре, и для ЛВС (локальных вычислительных сетей) крупного или даже среднего предприятия 10 Гбит/с Etnernet не будет редкостью.
• Поэтому очень важно использовать такую кабельную систему, которая позволила бы легко справляться с возрастающими скоростями сетевых приложений на протяжении как минимум 10 лет - именно такой минимальный срок службы СКС определен международными стандартами.
• Более того, при изменении стандартов на протоколы ЛВСнеобходимо избегать повторной прокладки новых кабелей, которая раньше была причиной значительных расходов на эксплуатацию СКС и просто не допустима в будущем.
• Только одна среда передачи в СКС удовлетворяет данным требованиям- оптика. Оптические кабели используются в телекоммуникационных сетях уже более 25 лет, в последнее время они также находят широкое применение в кабельном телевидении и ЛВС.
• В ЛВС они в основном используются для построения магистральных кабельных каналов между зданиями и в самих зданиях, обеспечивая при этом высокую скорость передачи данных между сегментами этих сетей. Однако развитие современных сетевых технологий актуализирует использование оптоволокна как основной среды для подключения непосредственно пользователей.

Новые стандарты и технологии ВОЛС:

За последние годы на рынке появилось несколько технологий и продуктов, позволяющих значительно облегчить и удешевить использование оптоволокна в горизонтальной кабельной системе и подключение его к рабочим местам пользователей.

Среди этих новых решений прежде всего хочется выделить оптические разъемы с малым форм-фактором - SFFC (small-form-factor connectors), плоскостные лазерные диоды с вертикальным резонатором - VCSEL (vertical cavity surface-emitting lasers) и оптические многомодовые волокна нового поколения.

Следует отметить, что недавно утвержденный тип многомодового оптического волокна ОМ-3 обладает полосой пропускания более 2000 МГц/км на длине лазерного излучения 850 нм. Данный тип волокна обеспечивает последовательную передачу потоков данных протокола 10 Gigabit Ethernet на расстояние 300 м. Использование новых типов многомодового оптоволокна и 850-нанометровых VCSEL-лазеров обеспечивает наименьшую стоимость реализации 10 Gigabit Ethernet-решений.

Разработка новых стандартов оптоволоконных разъемов позволила сделать оптоволоконные системы серьезным конкурентом медным решениям. Традиционно оптоволоконные системы требовали в два раза большего числа разъемов и коммутационных шнуров, чем медные - в телекоммуникационных пунктах требовалась гораздо большая площадь для размещения оптического оборудования, как пассивного, так и активного.

Оптические разъемы с малым форм-фактором, представленные недавно целым рядом производителей, обеспечивают в два раза большую плотность портов, чем предыдущие решения, поскольку каждый такой разъем содержит в себе сразу два оптических волокна, а не одно, как ранее.

При этом уменьшаются размеры и оптических пассивных элементов - кроссов и т.д., и активного сетевого оборудования, что позволяет снизить в четыре раза расходы на установку (по сравнению с традиционными оптическими решениями).

Следует отметить, что американские органы стандартизации EIA и TIA в 1998 году приняли решение не регламентировать использование какого-либо определенного типа оптических разъемов с малым форм-фактором, что привело к появлению на рынке сразу шести типов конкурирующих решений в данной области: MT-RJ, LC, VF-45, Opti-Jack, LX.5 и SCDC. Также сегодня есть и новые разработки.

Наиболее популярным миниатюрным разъемом является разъем типа MT-RJ, который имеет один полимерный наконечник с двумя оптическими волокнами внутри. Его конструкция была спроектирована консорциумом компаний во главе с AMP Netconnect на основе разработанного в Японии многоволоконного разъема MT. AMP Netconnect на сегодня представила уже более 30 лицензий на производство данного типа разъема MT-RJ.

Своему успеху разъем MT-RJ во многом обязан внешней конструкции, которая схожа с конструкцией 8-контактного модульного медного разъема RJ-45. За последнее время характеристики разъема MT-RJ заметно улучшились - AMP Netconnect предлагает разъемы MT-RJ с ключами, предотвращающими ошибочное или несанкционированное подключение к кабельной системе. Кроме того, ряд компаний разрабатывает одномодовые варианты разъема MT-RJ.

Достаточно высоким спросом на рынке оптических кабельных решений пользуются разъемы LC компании Avaya (http://www.avaya.com). Конструкция этого разъема основана на использовании керамического наконечника с уменьшенным до 1,25 мм диаметром и пластмассового корпуса с внешней защелкой рычажного типа для фиксации в гнезде соединительной розетки.

Разъем выпускается как в симплексном, так и в дуплексном варианте. Основным преимуществом разъема LC являются низкие средние потери и их среднеквадратичное отклонение, которое составляет всего 0,1 дБ. Такое значение обеспечивает стабильную работу кабельной системы в целом. Для установки вилки LC применяются стандартная процедура вклеивания на эпоксидной смо ле и полировки. Сегодня разъемы нашли свое применение у производителей 10 Гбит/с-трансиверов.

Компания Corning Cable Systems (http://www.corning.com/cablesystems) производит одновременно как разъемы типа LC, так и MT-RJ. По ее мнению, индустрия СКС сделала свой выбор в пользу разъемов MT-RJ и LC. Недавно компания выпустила первый одномодовый разъем MT-RJ и UniCam-версии разъемов MT-RJ и LC, особенностью которых является малое время монтажа. При этом для установки разъемов типа UniCam нет необходимости использовать эпоксидный клей и поли

Волоконно-оптическими называют линии, предназначенные для передачи информации в оптическом диапазоне. Согласно данным советского Информбюро, на конец 80-х темп роста применения волоконно-оптических линий составил 40%. Эксперты Союза предполагали полный отказ некоторых стран от медной жилы. Съезд постановил на 12-ю пятилетку 25% прирост объёма линий связи. Тринадцатая, также призванная развивать волоконную оптику, застала развал СССР, появились первые сотовые операторы. Кстати, прогноз экспертов относительно роста потребности в квалифицированных кадрах провалился…

Принцип действия

Каковы причины резкого роста популярности высокочастотных сигналов? Современные учебники упоминают снижение потребности в регенерации сигнала, стоимости, повышение ёмкости каналов. Советские инженеры вызнали, рассуждая иначе: медный кабель, броня, экран берут 50% мирового производства меди, 25% – свинца. Недостаточно известный факт стал главной причины оставления спонсорами Николы Теслы, проекта башни Ворденклифф (название дала фамилия мецената, пожертвовавшего землю). Известный сербский учёный возжелал передавать информацию, энергию беспроводным путём, напугав немало локальных хозяев медеплавильных заводов. 80 лет спустя картина изменилась кардинально: люди осознали необходимость сбережения цветных металлов.

Материалом изготовления волокна служит… стекло. Обычный силикат, сдобренный изрядной долей модифицирующих свойства полимеров. Советские учебники, помимо указанных причин популярности новой технологии, называют:

1. Малое затухание сигналов, явившееся причиной снижения потребности в регенерации.
2. Отсутствие искрения, следовательно, пожаробезопасность, нулевая взрывоопасность.
3. Невозможность короткого замыкания, пониженная потребность в обслуживании.
4. Нечувствительность к электромагнитным помехам.
5. Низкий вес, сравнительно малые габариты.

Первоначально оптоволоконные линии должны были объединить крупные магистрали: меж городами, пригородами, АТС. Эксперты СССР назвали кабельную революцию сродни появлению твердотельной электроники. Развитие технологии позволило построить сети, лишённые токов утечки, перекрёстных помех. Участок длиной сотню км лишён активных методов регенерации сигнала. Бухта одномодового кабеля обычно составляет 12 км, многомодового – 4 км. Последнюю милю чаще покрывают медью. Провайдеры привыкли предназначать оконечные участки индивидуальным пользователям. Отсутствуют высокие скорости, приёмопередатчики дёшевы, возможность подвести одновременно питание устройству, простота использования линейных режимов.

Передатчик

Типичным формирователем луча выступают полупроводниковые светодиоды, включая твердотельные лазеры. Ширина спектра сигнала, излучаемого типичным p-n-переходом, составляет 30-60 нм. КПД первых твердотельных устройств едва достигал 1%. Основой связных светодиодов чаще выступает структура индий-галлий-мышьяк-фосфор. Излучая более низкую частоту (1,3 мкм), приборы обеспечивают значительное рассеивание спектра. Результирующая дисперсия сильно ограничивает битрейт (10-100 Мбит/с). Поэтому светодиоды пригодны для построения локальных сетевых ресурсов (дистанция 2-3 км).

Частотное деление с мультиплексированием осуществляется многочастотными диодами. Сегодня несовершенные полупроводниковые структуры активно вытесняются вертикальными излучающими лазерами, значительно улучшающими спектральные характеристики. повышающими скорость. Цена одного порядка. Технология вынужденного излучения приносит гораздо более высокие мощности (сотни мВт). Когерентное излучение обеспечивает КПД одномодовых линий 50%. Эффект хроматической дисперсии снижается, позволяя повысить битрейт.

Малое время рекомбинации зарядов позволяет легко модулировать излучение высокими частотами питающего тока. Помимо вертикальных применяют:

1. Лазеры с обратной связью.
2. Резонаторы Фабри-Перо.

Высокие битрейты дальних линий связи достигаются применением внешних модуляторов: электро-абсорбционные, интерферометры Маха – Цендера. Внешние системы устраняют необходимость применения линейной частотной модуляции напряжением питания. Обрезанный спектр дискретного сигнала передаётся дальше. Дополнительно разработаны другие методики кодирования несущей:

• Квадратурная фазовая манипуляция.
• Ортогональное мультиплексирование с частотным разделением.
• Амплитудная квадратурная модуляция.

Процедуру осуществляют цифровые сигнальные процессоры. Старые методики компенсировали лишь линейную составляющую. Беренджер выразил модулятор рядами Вина, ЦАП и усилитель смоделировал усечёнными, времянезависимыми рядами Вольтерры. Кхана предлагает использовать полиномиальную модель передатчика вдобавок. Каждый раз коэффициенты рядов находят, используя архитектуру непрямого изучения. Дутель записал множество распространённых вариантов. Фазная перекрёстная корреляция и квадратурные поля имитируют несовершенство систем синхронизации. Аналогично компенсируются нелинейные эффекты.

Приёмники

Фотодетектор совершает обратное преобразование свет – электричество. Львиная доля твёрдотельных приёмников использует структуру индий-галлий-мышьяк. Иногда встречаются pin-фотодиоды, лавинные. Структуры металл-полупроводник-металл идеально подходят для встраивания регенераторов, коротковолновых мультиплексоров. Оптикоэлектрические конвертеры часто дополняют трансимпедансными усилителями, ограничителями, производящими цифровой сигнал. Затем практикуют восстановление синхроимпульсов с фазовой автоподстройкой частоты.

Передача света стеклом: история

Явление рефракции, делающее возможной тропосферную связь, нелюбимо учениками. Сложные формулы, неинтересные примеры убивают любовь студента к знаниям. Идею световода родили далёкие 1840-е годы: Дэниэл Колладон, Жак Бабинэ (Париж) пытались приукрасить собственные лекции заманчивыми, наглядными экспериментами. Преподаватели средневековой Европы плохо зарабатывали, поэтому изрядный приток студентов, несущих деньги, выглядел желанной перспективой. Лекторы заманивали публику любыми способами. Некий Джон Тиндал воспользовался идеей 12 лет спустя, гораздо позже выпустив книгу (1870), рассматривающую законы оптики:

• Свет проходит границу раздела воздух-вода, наблюдается рефракция луча относительно перпендикуляра. Если угол касания луча к ортогональной линии превышает 48 градусов, фотоны перестают покидать жидкость. Энергия полностью отражается назад. Предел назовём лимитирующим углом среды. Водный равен 48 градусов 27 минут, у силикатного стекла – 38 градусов 41 минута, алмаза – 23 градуса 42 минуты.

Зарождение XIX столетия принесло линии Петербург – Варшава световой телеграф протяжённостью 1200 км. Регенерация операторами послания проводилась каждые 40 км. Сообщение шло несколько часов, мешали погода, видимость. Появление радиосвязи вытеснило старые методики. Первые оптические линии датированы концом XIX века. Новинка понравилась… медикам! Гнутое стеклянное волокно позволяло освещать любые полости человеческого тела. Историки предлагают следующую временную шкалу развития событий:

Идею Генри Сэнт-Рене продолжили поселенцы Нового света (1920-е), задумавшие улучшить телевидение. Кларенс Ханселл, Джон Логи Бэйрд стали пионерами. Десять лет спустя (1930) студент-медик Хайнрих Ламм доказал возможность передачи стеклянными направляющими изображения. Ищущий знаний задумал осмотреть внутренности тела. Качество изображения хромало, попытка получить Британский патент провалилась.

Рождение волокна

Независимо голландский учёный Абрахам ван Хил, британец Харольд Хопкинс, Нариндер Сингх Капани изобрели (1954) волокно. Заслуга первого в идее покрыть центральную жилу прозрачной оболочкой, имевшей низкий коэффициент преломления (близкий к воздуху). Защита от царапин поверхности сильно улучшила качество передачи (современники изобретателей видели главное препятствие использования волоконных линий в больших потерях). Британцы тоже внесли серьёзный вклад, собрав пучок волокон численностью 10.000 штук, передали изображение на дистанцию 75 см. Заметка «Гибкий фиброскоп, использующий статическое сканирование» украсила журнал Nature (1954).

Это интересно! Нариндер Сингх Капани ввёл термин фиброволокно заметкой в журнале Американская наука (1960).

1956 год принёс миру новый гибкий гастроскоп, авторы Базиль Хиршовиц, Вильбур Петерс, Лоуренс Кертисс (Университет Мичиган). Особенностью новики являлась стеклянная оболочка волокон. Элиас Снитцер (1961) обнародовал идею создания одномодового волокна. Столь тонкого, что внутри умещалось лишь одно пятнышко интерференционной картины. Идея помогла медикам осмотреть внутренности (живого) человека. Потери составили 1 дБ/м. Потребности коммуникаций простирались гораздо дальше. Требовалось достичь порога 10-20 дБ/км.

1964 год считают переломным: жизненно важную спецификацию опубликовал доктор Као, введя теоретические основы дальней связи. Документ активно использовал приведённую выше цифру. Учёный доказал: снизить потери поможет стекло высшей степени очистки. Германский физик (1965) Манфред Бёрнер (Телефункен Ресёрч Лабс, Ульм) представил первую работоспособную телекоммуникационную линию. NASA немедленно передало вниз лунные снимки, используя новинки (разработки были секретными). Несколько лет спустя (1970) трое работников Корнинг Глэс (см. начало топика) подали патент, реализующий технологический цикл выплавки оксида кремния. Три года бюро оценивало текст. Новая жила увеличила пропускную способность канала в 65000 раз относительно медного кабеля. Команда доктора Као немедля сделала попытку покрыть значительное расстояние.

Это интересно! 45 лет спустя (2009) Као вручили Нобелевскую премию по физике.

Военные компьютеры (1975) противовоздушной обороны США (секция NORAD, Шайенские горы) получили новые коммуникации. Оптический интернет появился очень давно, раньше персональных компьютеров! Двумя годами позже тестовые испытания телефонной линии длиной 1,5 мили (пригород Чикаго) успешно передали 672 голосовых канала. Стеклодувы трудились неустанно: начало 80-х привнесло появление волокна с затуханием 4 дБ/км. Оксид кремния заменили другим полупроводником – германием.

Скорость производства высококачественного кабеля технологической линией составила 2 м/с. Хими Томас Менса разработал технологию, повысившую двадцатикратно указанный лимит. Новинка, наконец, стала дешевле медного кабеля. Дальнейшее изложено выше: последовал всплеск внедрения новой технологии. Шаг расстановки репитеров составил 70-150 км. Волоконный усилитель, легированный ионами Эрбия, резко снизил стоимость возведения линий. Времена тринадцатой пятилетки принесли планете 25 миллионов километров волоконно-оптических сетей.

Новый толчок развитию дало изобретение фотонных кристаллов. Первые коммерческие модели принёс 2000 год. Периодичность структур позволила значительно повысить мощность, конструкция волокна гибко подстраивалась, следуя частоте. В 2012 году Телеграфная и телефонная компания Ниппона достигла скорости 1 петабит/с на дальности 50 км одним-единственным волокном.

Военная промышленность

Достоверно известна история шествия военной промышленности США, опубликованной в Монмаут Месседж. В 1958 году менеджер по кабельному хозяйству форта Монмаут (Сигнал Корпс Лабс армии Соединённых Штатов) рапортовал о вреде молний, осадков. Чиновник потревожил исследователя Сэма Ди Вита, попросив найти замену зеленеющей меди. Ответ содержал предложение попробовать стекло, фибер, световые сигналы. Однако инженеры дяди Сэма того времени оказались бессильны решить задачку.

Жарким сентябрём 1959 Ди Вита спросил лейтенанта второго ранга Ричарда Штурцебехера, известна ли тому формула стекла, способного передавать оптический сигнал. Ответ содержал сведения, касающиеся оксида кремния – пробы на базе Университета Альфреда. Измеряя коэффициент рефракции материалов микроскопом, Ричард нажил головную боль. 60-70% стеклянная пудра свободно пропускала лучезарный свет, раздражая глаза. Держа в уме необходимость получения чистейшего стекла, Штурцебехер изучал современные методики производства при помощи хлорида кремния IV. Ди Вита нашёл материал пригодным, решив предоставить правительству переговоры со стеклодувами компании Корнинг.

Чиновник отлично знал рабочих, однако решил предать дело огласке, дабы завод получил государственный контракт. Между 1961 и 1962 идея использования чистого оксида кремния была передана исследовательским лабораториям. Федеральные ассигнования составили порядка 1 млн. долларов (промежуток 1963-1970). Программа окончилась (1985) развитием многомиллиардной индустрии производства оптоволоконных кабелей, начавших стремительно замещать медные. Ди Вита остался работать, консультируя промышленность, прожив 97 лет (год смерти – 2010).

Разновидности кабелей

Кабель формируют:

1. Ядро.
2. Оболочка.
3. Защитный кожух.

Волокно реализует полное отражение сигнала. Материалом первых двух компонентов традиционно выступает стекло. Иногда находят дешёвую замену – полимер. Оптические кабели объединяют сплавлением. Выравнивание ядра потребует сноровки. Мультимодовый кабель толщиной свыше 50 мкм паять проще. Две глобальные разновидности различаются количеством мод:

• Мультимодовый снабжён толстым ядром (свыше 50 мкм).
• Одномодовый значительно тоньше (менее 10 мкм).

Парадокс: кабель меньших размеров обеспечивает дальнюю связь. Стоимость четырёхжильного трансатлантического составляет 300 млн. долларов. Сердцевину покрывают светоустойчивым полимером. Журнал Новый учёный (2013) обнародовал опыты научной группы Университета Саутгемптона, покрывших дальность 310 метров… волноводом! Пассивный диэлектрический элемент показал скорость 77,3 Тбит/с. Стены полой трубки образованы фотонным кристаллом. Информационный поток двигался со скорость 99,7% световой.

Фотонно-кристаллический фибер

Новая разновидность кабелей образована набором трубок, конфигурация напоминает скруглённые пчелиные соты. Фотонные кристаллы, напоминают природный перламутр, образуя периодические конформации, отличающиеся коэффициентом преломления. Некоторые длины волн внутри таких трубок затухают. Кабель демонстрирует полосу пропускания, луч претерпевая брэгговскую рефракцию отражается. Благодаря наличию запрещённых зон когерентный сигнал двигается вдоль световода.

Введение

Сегодня связь играет важную роль в нашем мире. И если ранее для передачи информации использовались медные кабели и провода, то теперь наступило время оптических технологий и оптоволоконных кабелей. Сейчас, совершая звонок по телефону на другой конец света (например, из России в Америку) или же загружая из интернета любимую мелодию, которая лежит на сайте где-нибудь в Австралии, мы даже не задумываемся, каким образом нам удаётся это сделать. А происходит это благодаря применению оптоволоконных кабелей. Для того чтобы соединить людей, сделать их ближе друг к другу или же к желаемому источнику информации, приходится соединять континенты. В настоящее время обмен информацией между континентами осуществляется главным образом через подводные оптоволоконные кабели. В настоящее время волоконно-оптические кабели проложены по дну Тихого и Атлантического океанов и практически весь мир "опутан" сетью волоконных систем связи (Laser Mag.-1993.-№3; Laser Focus World.-1992.-28, №12; Telecom. mag.-1993.-№25; AEU: J. Asia Electron. Union.-1992.-№5). Европейские страны через Атлантику связаны волоконными линиями связи с Америкой. США, через Гавайские острова и остров Гуам - с Японией, Новой Зеландией и Австралией. Волоконно-оптическая линия связи соединяет Японию и Корею с Дальним Востоком России. На западе Россия связана с европейскими странами Петербург - Кингисепп - Дания и С.-Петербург - Выборг - Финляндия, на юге - с азиатскими странами Новороссийск - Турция. При этом главной движущей силой развития оптоволоконных линий связи является Интернет.

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.

Оптическое волокно считается самой совершенной средой для передачи больших потоков информации на большие расстояния. Оно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния - широко распространенного и недорогого материала, в отличие от меди. Оптическое волокно очень компактное и легкое, оно имеет диаметр всего около 100 мкм.

Кроме того оптоволокно невосприимчиво к электромагнитным полям, что снимает некоторые типичные проблемы медных систем связи. Оптические сети способны передавать сигнал на большие расстояния с меньшими потерями. Не смотря 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 требуют все больше затрат на дальнейшее развитие этого направления.

Мне кажется, тема волоконно-оптических линий связи в настоящее время является актуальной, перспективной и интересной для рассмотрения. Именно поэтому я выбираю ее для своей курсовой работы и считаю, то за ВОЛС будущее.

1. История создания

Волоконная оптика хоть и является повсеместно используемым и популярным средством обеспечения связи, сама технология проста и разработана достаточно давно. Эксперимент с переменой направления светового пучка путем преломления был продемонстрирован Даниелем Колладоном (Daniel Colladon) и Жаком Бабинеттом (Jacques Babinet) еще в 1840 году. Практическое применение технологии нашлось лишь в ХХ веке.

В 20-х годах прошлого столетия экспериментаторами Кларенсом Хаснеллом (Clarence Hasnell) и Джоном Бердом (John Berd) была продемонстрирована возможность передачи изображения через оптические трубки.

Изобретение в 1970 году специалистами компании Corning оптоволокна принято считать переломным моментом в истории развития оптоволоконных технологий. Разработчикам удалось создать проводник, который способен сохранять не менее одного процента мощности оптического сигнала на расстоянии одного километра. По нынешним меркам это достаточно скромное достижение, а тогда, без малого 40 лет назад, - необходимое условие для того, чтобы развивать новый вид проводной связи.

Е Первые широкомасштабные эксперименты связанные с появлением стандарта FDDI. Эти сети первого поколения работают до сих пор.

Е Массовое использование волоконной оптики, связанное с производством более дешевых комплектующих. Темпы роста волоконно-оптических сетей носят взрывной характер.

Е Рост скоростей передачи информации, появление технологий волнового уплотнения (WDM, DWDM)/ Новые типы волокон.

2. Волоконно-оптические линии связи как понятие

1 Оптическое волокно и его виды

Волокно-оптическая линия связи (ВОЛС) - это вид системы передачи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известных под названием «оптическое волокно». Так что же это такое?

Оптическое волокно - чрезвычайно тонкий стеклянный цилиндр, называемый жилой (core), покрытый слоем стекла (Рис.1), называемого оболочкой, с иным, чем у жилы, коэффициентом преломления. Волокно характеризуется диаметрами этих областей - например, 50/125 означает волокно с диаметром сердцевины 50 мкм и внешним диаметром оболочки 125 мкм.

Рис.1 Структура оптоволокна

Свет распространяется по сердцевине волокна за счёт последовательных полных внутренних отражений на границе раздела между сердцевиной и оболочкой; его поведение во многом похоже на то, как если бы он попал в трубу, стенки которой покрыты зеркальным слоем. Однако в отличие от обычного зеркала, отражение в котором довольно неэффективно, полное внутреннее отражение по существу близко к идеальному - в этом заключается их коренное отличие, позволяющее свету распространяться вдоль волокна на большие расстояния с минимальными потерями.

Волокно, изготовленное таким образом ((Рис.2) а)), называется волокном со ступенчатым профилем показателя преломления и многомодовым, поскольку для распространения луча света существует много возможных путей, или мод.

Это множество мод приводит к дисперсии (уширению) импульса, поскольку каждая мода проходит в волокне различный путь, а поэтому разные моды имеют разную задержку передачи, проходя от одного конца волокна до другого. Результат этого явление - ограничение максимальной частоты, которую можно эффективно передавать при данной длине волокна - увеличение или частоты, или длины волокна сверх предельных значений по существу приводит к слиянию следующих друг за другом импульсов, из-за чего их становится невозможно различить. Для типового многомодового волокна этот предел равен примерно 15 МГц км, что означает, что видеосигнал с полосой, например, 5 МГц может быть передан на максимальное расстояние в 3 км (5 МГц х 3 км = 15 МГц км). Попытка передать сигнал на бóльшее расстояние приведёт к прогрессирующей потере высоких частот.

Рис.2 Типы оптического волокна

Для многих применений эта цифра недопустимо велика, и шёл поиск конструкции волокна с более широкой полосой пропускания. Один из путей - уменьшение диаметра волокна до весьма малых значений (8-9 мкм), так что становится возможной только одна мода. Одномодовые, как их называют, волокна ((Рис.2) b)) весьма эффективно снижают дисперсию, и результирующая полоса - во много ГГц км - делает их идеальными для телефонных и телеграфных сетей общего пользования (РТТ) и кабельного сетей телевидения. К сожалению, волокно столь малого диаметра требует применения мощного, прецизионно совмещённого, а поэтому сравнительно дорогостоящего излучателя на лазерном диоде,что снижает их притягательность для многих применений, связанных малой протяжённостью проектируемой линии.

В идеале требуется волокно с полосой пропускания того же порядка, что и одномодового волокна, но с диаметром, как у многомодового, чтобы было возможным применение недорогих передатчиков на светодиодах. До некоторой степени этим требованиям удовлетворяет многомодовое волокно с градиентным изменением показателя преломления ((Рис.2) с)). Оно напоминает многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления, о котором говорилось выше, но показатель преломления его сердцевины неоднороден - он плавно изменяется от максимального значения в центре до меньших значений на периферии. Это приводит к двум следствиям. Первое - свет распространяется по слегка изгибающемуся пути, и второе, и более важное - различия в задержке распространения разных мод минимальны. Это связано с тем, что высокие моды, входящие в волокно под бóльшим углом и проходящие больший путь, на самом деле начинают распространяться с большей скоростью по мере того, как они удаляются от центра в зону, где показатель преломления снижается, и в основном движутся быстрее, чем моды низших порядков, остающиеся вблизи оси в волокна, в области высокого показателя преломления. Увеличение скорости как раз компенсирует больший проходимый путь.

Многомодовые волокна с градиентным показателем преломления не являются идеальными, но тем не менее они демонстрируют весьма неплохие значения полосы. Поэтому в большинстве линий малой и средней протяжённости выбор такого типа волокон оказывается предпочтительным. На практике это означает, что полоса пропускания лишь изредка оказывается параметром, который следует принимать во внимание.

Однако для затухания это не так. Оптический сигнал затухает во всех волокнах, со скоростью, зависящей от длины волны передатчиком источником света (Рис.3). Как упоминалось ранее, существует три длины волны, на которых затухание оптического волокна обычно минимально, - 850, 1310 и 1550 нм. Они известны как окна прозрачности. Для многомодовых систем окно на длине волны в 850 нм - первое и наиболее часто используемое (наименьшая цена). На этой длине волны градиентное многомодовое волокно хорошего качества показывает затухание порядка 3 дБ/км, что делает возможной реализацию связи в замкнутой ТВ системе на расстояниях свыше 3 км.

Рис.3 Зависимость затухания от длины волны

На длине волны 1310 нм то же самое волокно показывает ещё меньшее затухание - 0,7 дБ/км, позволяя тем самым пропорционально увеличить дальность связи до примерно 12 км. 1310 нм - это также первое рабочее окно для одномодовых оптоволоконных систем, затухание при этом составляет около 0,5 дБ/км, что в сочетании с передатчиками на лазерных диодах позволяет создавать линии связи длиной свыше 50 км. Второе окно прозрачности - 1550 нм - используется для создания ещё более длинных линий связи (затухание волокна менее 0,2 дБ/км).

2 Классификация ВОК

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.

На сегодня в мире несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них: AT&T, General Cable Company (США); Siecor (ФРГ); BICC Cable (Великобритания); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония), Pirelli (Италия).

Определяющими параметрами при производстве ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи. По условиям эксплуатации кабели подразделяют на две основные группы (Рис.4)

Внутриобъектовые предназначены для прокладки внутри зданий и сооружений. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую строительную длину.

Магистральные предназначены для прокладки в колодцах кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти кабели имеют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух километров.

Для обеспечения большой пропускной способности линии связи производятся ВОК, содержащие небольшое число (до 8) одномодовых волокон с малым затуханием, а кабели для распределительных сетей могут содержать до 144 волокон как одномодовых, так и многомодовых, в зависимости от расстояний между сегментами сети.

Рис.4 Классификация ВОК

3 Преимущества и недостатки волоконно-оптической передачи сигналов

3.1 Преимущества ВОЛС

Для многих применений волоконная оптика оказывается предпочтительнее в силу целого ряда преимуществ.

Низкие потери при передаче. Волоконно-оптические кабели с малыми потерями позволяют передавать сигналы изображения на большие расстояния без использования маршрутных усилителей или репитеров. Это особенно удобно для схем передачи на дальние расстояния - например, системы наблюдения за автострадами или железной дорогой, где нередки безрепитерные участки по 20 км.

Широкополосная передача сигнала. Широкая полоса передачи оптического волокна позволяет одновременно передавать по одному волоконно-оптическому кабелю высококачественное видео, звук и цифровые данные.

Невосприимчивость к помехам и наводкам. Полная нечувствительность оптоволоконного кабеля к внешним электрическим помехам и наводкам обеспечивает устойчивую работу систем даже в тех случаях, когда монтажники не уделили достаточное внимание расположению близлежащих сетей питания и т. п.

Электрическая изоляция. Отсутствие электропроводности для оптоволоконного кабеля означает, что уходят проблемы, связанные с изменениями потенциала земли, характерные, например, для электростанций или железных дорог. Это же их свойство устраняет опасность повреждения оборудования, вызванного бросками тока от молний и т. п.

Лёгкие и компактные кабели. Крайне малые размеры оптических волокон и оптоволоконных кабелей позволяют вдохнуть вторую жизнь в битком набитые кабельные каналы. Например, один коаксиальный кабель занимает столько же места, сколько и 24 оптических кабеля, каждый их которых предположительно может одновременно передавать 64 видеоканала и 128 аудио- или видеосигналов.

Неустаревающая линия связи. Простой заменой оконечного оборудования, а не самих кабелей, волоконно-оптические сети можно модернизировать для передачи большего объёма информации. С другой стороны, часть или даже всю сеть можно использовать для совершенно другой задачи, например, объединения в одном кабеле локальной вычислительной сети и замкнутой ТВ системы.

Взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

Экономичность ВОЛС. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличии от меди.

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. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающих систем.

3.2 Недостатки ВОЛС

Высокая сложность монтажа. Высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому чаще всего оптоволоконный кабель продается в виде заранее нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разъемы нужного типа. Использование оптоволоконного кабеля требует специальных оптических приемников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно.

Оптоволоконный кабель менее прочен и гибок, чем электрический. Типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10 - 20 см, при меньших радиусах изгиба центральное волокно может сломаться.

Оптоволоконный кабель чувствителен к ионизирующим излучениям, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна, то есть увеличивается затухание сигнала.

3. Электронные компоненты ВОЛС. Принцип передачи информации

В наиболее общем виде принцип передачи информации в волокно-оптических системах связи можно пояснить с помощью (Рис.5).

Рис.5 Принцип передачи информации в волокно-оптических системах связи

1 Передатчики для волоконной оптики

Наиболее важным компонентом волоконно-оптического передатчика является источник света (обычно полупроводниковый лазер или светодиод (Рис.6)). Оба служат одной и той же цели - генерации микроскопического светового пучка, который можно с высоким кпд ввести в волокно и с высокой частотой модулировать (изменять по интенсивности). Лазеры обеспечивают бóльшую интенсивность пучка, чем светодиоды, и допускают более высокую частоту модуляции; поэтому они часто используются для широкополосных линий большой протяжённости, например, телекоммуникации или кабельное телевидение. С другой стороны, светодиоды - более дешёвые и более стойкие приборы, к тому же вполне подходящие для большинства систем небольшой или средней протяжённости.

Рис.6 Способы ввода оптического излучения в оптоволокно

Помимо функционального назначения (т. е. какой сигнал он должен передавать), волоконно-оптический передатчик характеризуется ещё двумя важными параметрами, определяющими его свойства. Один - это его выходная мощность (интенсивность) оптического излучения. Второй - длина волны (или цвет) испускаемого света. Обычно это 850, 1310 или 1550 нм, значения, выбранные из условия совпадения с т. н. “окнами прозрачности” в характеристике пропускания материала оптического волокна.

3.2 Приёмники для волоконной оптики

Приёмники волоконной оптики решают жизненно важную задачу - детектирование чрезвычайно слабого оптического излучения, испускаемого из конца волокна, и усиление полученного электрического сигнала до требуемого уровня с минимальными искажениями и шумами. Минимальный уровень излучения, требующийся приёмнику для того, чтобы обеспечить приемлемое качество выходного сигнала, называется чувствительностью; разница между чувствительностью приёмника и выходной мощностью передатчика определяет максимально допустимые потери в системе в дБ. Для большинства замкнутых ТВ систем наблюдения со светодиодным передатчиком типовой является цифра в 10-15 дБ. В идеале приёмник должен нормально работать при изменении входного сигнала в широких пределах, поскольку обычно невозможно заранее точно предсказать, какова будет степень затухания в линии связи (т. е. длина линии, число стыков и т. п.). Во многих простых конструкциях приёмников для достижения требуемого уровня выходного сигнала используется ручная регулировка усиления, производимая при монтаже системы. Это нежелательно, поскольку неизбежны изменения в величине затухания линии, вызванные старением или изменением температуры и т. п., что диктует необходимость периодически подстраивать усиление. Во всех волоконно-оптических приёмниках применяется автоматическая регулировка усиления, которая отслеживает средний уровень входного оптического сигнала соответственно изменяет коэффициент усиления приёмника. Ни при монтаже, ни в процессе эксплуатации ручной регулировки не требуется.

оптический волокно связь кабель

4. Области применения ВОЛС

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) позволяют передавать аналоговые и цифровые сигналы на дальние расстояния. Они также используются на малых, более управляемых расстояниях, например, внутри зданий. Растет количество пользователей Интернет - и у нас быстро строятся новые центры обработки данных (ЦОД), для взаимосвязи которых используется оптоволокно. Ведь при передаче сигналов со скоростью 10 Гбит/с затраты аналогичны «медным» линиям, но оптика потребляет значительно меньше энергии. Долгие годы приверженцы волокна и меди «бились» друг с другом за приоритет в корпоративных сетях. Зря потраченное время!

Действительно, областей применения оптики становится все больше, в основном, из-за указанных выше преимуществ перед медью. Волоконно-оптическое оборудование широко используется в медицинских учреждениях, например, для коммутации локальных видеосигналов в операционных. Оптические сигналы не имеют никакого отношения к электричеству, что идеально в плане обеспечения безопасности пациентов.

Волоконно-оптическим технологиям отдают предпочтение и военные, так как передаваемые данные трудно или даже невозможно считать извне. ВОЛС обеспечивают высокую степень защиты конфиденциальной информации, позволяют передавать несжатые данные типа графики с высоким разрешением и видео с точностью до пикселя. Оптика проникла во все ключевые направления - системы наблюдения, диспетчерские и ситуационные центры в зоны с экстремальными условиями эксплуатации.

Снижение стоимости оборудования позволило использовать оптические технологии в традиционно медных областях - на больших промышленных предприятиях для организации автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП), в энергетике, в системах безопасности и видеонаблюдения. Возможность передачи большого потока информации на дальние расстояния делает оптику идеально подходящей и востребованной практически во всех областях промышленности, где длина кабельных линий может достигать нескольких километров. Если для витой пары расстояние ограничено 450 метрами, то для оптики и 30 км не предел.

В качестве примера использования ВОЛС хочу привести описание замкнутой системы безопасности видеонаблюдения на типовой электростанции. Особенно актуальной и востребованной эта тема стала в последнее время, после принятия Правительством РФ постановления о противодействиях терроризму и перечня жизненно важных объектов подлежащих защите.

5. Оптоволоконные ТВ системы наблюдения

Процесс разработки системы, как правило, включает две составляющих:

Выбор подходящих активных компонентов передающего тракта, основанный на требуемой функции (или функциях), типе и количестве имеющихся или предлагаемых волокон и максимальной дальности передачи.

Конструкции пассивной инфраструктуры оптоволоконного кабеля, в том числе типы и технические характеристики магистрального кабеля, соединительные коробки, панели для наращивания кабелей (fibre patch panels).

1 Компоненты тракта передачи видеонаблюдения

Прежде всего - какие компоненты на самом деле требуются, чтобы удовлетворить техническим характеристикам системы?

Системы с фиксированными камерами - такие системы чрезвычайно просты и обычно состоят из миниатюрного волоконно-оптического передатчика и либо модульного, либо монтируемого в стойке приёмника. Передатчик часто имеет размеры, достаточно малые для того, чтобы смонтировать его непосредственно в корпусе камеры, и снабжается коаксиальным байонетным разъёмом, оптическим соединителем ‘ST’ и клеммами для подключения низковольтного источника питания (как правило, 12 В постоянного или переменного тока). Система наблюдения типовой электростанции состоит из нескольких десятков таких камер, сигналы с которых передаются на центральный пост управления, и в этом случае приёмники монтируются в стойку на стандартную 19-дюймовую карту формата 3U с общим блоком питания.

Системы на управляемых камерах с поворотными устройствах - такие системы более сложны, так как требуется дополнительный канал для передачи сигналов управления камерой. Вообще говоря, существует два типа системы дистанционного управления такими камерами - требующие однонаправленной передачи сигналов дистанционного управления (от центрального поста к камерам) и требующие двунаправленной передачи. Системы с двунаправленной передачей становятся всё более популярными, так как они позволяют получать от каждой камеры подтверждение приёма каждого управляющего сигнала, а поэтому обеспечивают большую точность и надёжность управления. В пределах каждой из этих групп существует широкий спектр требований на интерфейс, в том числе RS232, RS422 и RS485. Другие системы не используют цифровой интерфейс, но передают данные как последовательность звуковых сигналов по аналоговому каналу, подобно сигналам двухчастотного тонального набора в телефонии.

Рис.6 Передача сигналов дистанционного управления поворотным устройством по одному волокну

Все эти системы могут работать и с волоконно-оптическими кабелями при использовании соответствующего оборудования. При нормальных обстоятельствах одновременная передача оптических сигналов по одному волокну в противоположных направлениях нежелательна, так как из-за рассеянного отражения в волокне возникают взаимные помехи. В замкнутых ТВ системах этот эффект создаёт на изображении помехи всякий раз, когда задействовано управления камерой.

Для достижения двунаправленной передачи по одному волокну, не создающей взаимных помех, необходимо, чтобы передатчики на разных концах волокна работали на разных длинах волн, например, на 850 нм и на 1300 нм, соответственно (Рис.6). К каждому концу волокна подсоединяется ответвитель на мультиплексоре с разделением длин волн (WDM - wavelength division multiplexer), который обеспечивает, что каждый приёмник получает от находящегося на противоположном конце волокна передатчика свет только с нужной длиной волны (например, 850 нм). Нежелательные отражения от передатчика на ближнем конце оказываются в “неправильном” диапазоне (т. е. 1300 нм) и соответственно отсекаются.

Дополнительные возможности - хотя выбор фиксированной камеры или камеры на поворотном устройстве удовлетворяет требованиям большей части замкнутых ТВ систем наблюдения, существует ряд систем, в которых требуются дополнительные возможности, например, передача аудиоинформации - для общего оповещения, вспомогательных сообщений потребителю или связь по интеркому с удалённым постом. С другой стороны, частью интегрированной охранной системы могут быть контакты датчиков, срабатывающих при пожаре или появлении посторонних. Все эти сигналы можно передавать по оптоволокну - или по тому же, что используется сетью, или по другому.

2 Мультиплексирование видеосигналов

На одном одномодовом оптоволокне возможно мультиплексирование до 64 видео и до 128 аудиосигналов или сигналов цифровых данных, или несколько меньшего числа - на многомодовом. В этом контексте под мультиплексированием имеется в виду одновременная передача полноэкранных видеосигналов в реальном времени, а не малокадровое или полиэкранное отображение, к чему чаще относится данный термин.

Способность передавать многие сигналы и дополнительную информацию по нескольким оптическим волокнам - весьма ценная, особенно для замкнутых ТВ систем наблюдения с большой протяжённостью, например, для автомагистралей или железных дорог, где минимизация числа оптоволоконных кабелей зачастую жизненно важна. Для других применений, с меньшей протяжённостью и сильно разбросанными камерами, преимущества не так очевидны, и здесь в первую очередь следует рассмотреть использование отдельной волоконной линии для каждого видеосигнала. Выбор того, мультиплексировать или нет, довольно сложен, и его необходимо делать только после рассмотрения всех моментов, в том числе топологии системы, общих затрат и, не в последнюю очередь, устойчивость к повреждениям сети.

3 Инфраструктура кабельной сети

После того, как определены требования к тракту передачи, выполняется разработка инфраструктуры кабельной оптоволоконной сети, в которую входят не только сами кабели, но и все вспомогательные компоненты - соединительные коробки, панели для наращивания кабелей, обводные кабели.

Первая задача - подтвердить правильность выбора числа и типа оптических волокон, определённого на этапе выбора компонентов тракта. Если система не отличается большой протяжённостью (т. е. не длиннее примерно 10 км) и не предполагает мультиплексной передачи видеосигналов то, скорее всего, оптимальным выбором будет многомодовое волокно 50/125 мкм или 62,5/125 мкм с градиентным показателем преломления. Традиционно для замкнутых ТВ систем выбирается волокно 50/125 мкм, а для локальных вычислительных сетей - 62,5/125 мкм. Во всяком случае, каждое из них подходит для каждой из этих задач, и вообще, в большинстве стран для обеих целей применяется волокно 62,5/125 мкм.

Число потребных волокон можно определить исходя из количества и относительного расположения камер и из того, используется ли однонаправленное или двунаправленное дистанционное управление или мультиплексирование. Поскольку трубах. Кабели, предназначенные для прокладки во внешних каналах, обычно имеют влагозащиту или из алюминиевой ленты (сухие полые трубы), или из водоотталкивающего наполнителя (кабели с гелевым наполнителем). Кабель для противопожарной безопасности.

Многие замкнутые ТВ системы малой протяжённости имеют конфигурацию звезды, где от каждой камеры до поста управления проложен цельный участок кабеля. Для таких систем оптимальная конструкция кабеля будет содержать два волокна - соответственно для передачи видеосигнала и дистанционного управления. Такая конфигурация обеспечивает стопроцентный запас по ёмкости кабеля, так как при необходимости и видео, и сигналы дистанционного управления могут быть переданы по одному и тому же волокну. Более разветвлённые сети могут выиграть от использования “обратной древовидной топологии” (inverted branch & tree topology) (Рис.7). В таких сетях от каждой камеры двухжильный оптоволоконный кабель ведёт к местному "концентратору", где они соединяются в единый многожильный кабель. Сам же концентратор не сильно сложнее обычной всепогодной соединительной коробки и зачастую может быть объединён с корпусом оборудования одной из камер.

Прирост стоимости при добавлении оптоволоконных линий в уже существующий кабель незначителен, особенно по сравнению со стоимостью связанных с этим общественных работ, следует серьёзно подойти к возможности установки кабелей с запасом по ёмкости.

Волоконно-оптические кабели траншейного заглубления может содержать арматуру из стальной проволоки. В идеале все кабели должны изготавливаться из пламеостанавливающих материалов с низким дымовыделением, чтобы удовлетворять местным правилам, предназначенные для прокладки во внешней кабельной канализации или непосредственно в траншеях, обычно имеют конструкцию полой трубы, содержащей от 2 до 24 волокон в одной или нескольких

Рис.7 Древовидная топология волоконно-оптической сети

На посту управления входной волоконно-оптический кабель обычно приходит в блок сопряжения, смонтированный в 19" стойку, при этом каждое волокно имеет свой индивидуальный ‘ST’-коннектор. Для окончательного сопряжения с приёмником используются короткие переходные кабели повышенной жёсткости с ответными ‘ST’-коннекторами на каждом конце. Для выполнения всех монтажных работ не требуется никакого особого искусства, помимо разумного понимания необходимости осторожного обращения с оптическим волокном (например, нельзя сгибать волокно с радиусом менее 10 диаметров волокна) и требований общей гигиены (т. е. чистоты).

4
Бюджет оптических потерь

Может показаться странным, что подсчёт бюджета оптических потерь происходит на столь позднем этапе процесса разработки, однако на самом деле сколько-нибудь точный его расчёт возможен только после того, как инфраструктура кабельной сети полностью определена. Цель расчёта - определить потери для наихудшего пути прохождения сигнала (обычно самого длинного) и убедиться, что выбранное для тракта передачи оборудование с разумным запасом вписывается в полученные пределы.

Расчёт довольно прост и состоит в обыкновенном суммировании потерь в децибелах всех компонентов тракта, в том числе затухания в кабеле (дБ/км х длину в км) плюс оба коннектора и потери на стыках. Самая большая трудность - просто-напросто извлечь необходимые цифры потерь из документации изготовителя.

В зависимости от полученного результата может потребоваться переоценка выбранного для тракта передачи оборудования, чтобы обеспечить приемлемые потери. Например, может оказаться необходимым заказать оборудование с улучшенными оптическими параметрами, а если такового не найдётся - следует рассмотреть вопрос о переходе на окно прозрачности с большей длиной волны, где потери меньше.

5 Тестирование системы и ввод её в эксплуатацию

Большинство специалистов по установке волоконно-оптических сетей предоставляют результаты оптических испытаний для вводимой в эксплуатацию оптоволоконной сети. Как минимум, они должны включать результаты измерений по сквозной передаче мощности оптического излучения для каждой оптоволоконной линии - это эквивалентно проверке целостности для обычной сети на медных кабелях с мультиплексорами электрических сигналов. Эти результаты представляются как величина потерь линии в дБ, и их можно непосредственно сравнить с техническими данными на выбранное для тракта передачи оборудование. Обычно считается нормальным иметь минимальный запас по величине потерь (обещанные параметры оборудования минус измеренная величина) в 3 дБ на неизбежные процессы старения, происходящие в оптоволоконных линиях, особенно в передатчиках.

Заключение

Зачастую у специалистов бытует мнение, что оптоволоконные решения значительно дороже медных. В заключительной части моей работы мне хотелось бы подвести итог ранее сказанному и попытаться все таки выяснить, так это или нет, сравнив оптические решения компании 3M Volution с типовой экранированной системой 6-й категории, обладающей наиболее близкими многомодовой оптике

В ориентировочный расчет стоимости типовой системы была включена цена порта 24-портовой коммутационной панели (в расчете на одного абонента), абонентских и коммутационных шнуров, абонентского модуля, а также стоимость горизонтального кабеля за 100 метров (см. таблицу 1).

Таблица 1 Расчет стоимости абонентского порта СКС для «меди»6й категории и оптики

Этот простой расчет показал, что стоимость оптоволоконного решения всего на 35% больше, чем решения для витой пары 6-й категории, так что слухи об огромной дороговизне оптики несколько преувеличены. Причем стоимость основных оптических компонентов на сегодня сравнима или даже ниже, чем для экранированных систем 6-й категории, но, к сожалению, готовые оптические коммутационные и абонентские шнуры пока что в несколько раз дороже медных аналогов. Однако если по каким-либо причинам протяженность абонентских каналов в горизонтальной подсистеме превышает 100 м, оптике просто нет альтернативы.

В то же время низкое значение затухания оптического волокна и "иммунитет" к различным электромагнитным наводкам делает его идеальным решением для сегодняшних и будущих кабельных систем.

Структурированные кабельные системы, которые используют оптоволокно как для магистральных, так и для горизонтальных кабельных каналов, дают потребителям ряд серьезных преимуществ: более гибкая структура, меньшая занимаемая площадь в здании, высокая безопасность и лучшая управляемость.

Применение оптического волокна на рабочих местах позволит в будущем с минимальными затратами перейти на новые сетевые протоколы, такие как Gigabit и 10 Gigabit Ethernet. Это возможно благодаря ряду последних достижений в области оптоволоконных технологий: многомодовое оптоволокно с улучшенными оптическими характеристиками и полосой пропускания; оптические разъемы с малым форм-фактором, которые требуют меньшей площади и меньшего количества затрат при монтаже; плоскостные лазерные диоды с вертикальным резонатором обеспечивают передачу данных на большое расстояние с низкими затратами.

Широкий набор решений для построения оптических кабельных систем обеспечивает плавный, экономически оправданный переход с медных на полностью оптические структурированные кабельные системы.

Список использованной литературы

1. Гук М. Аппаратные средства локальных сетей/М. Гук - СПб: Издательство “Питер”,2000.-572с.

Решения для операторов связи и телекоммуникации

Энергетика. Электротехника. Связь.

Оптические кабели

Родина О.В. Волоконно-оптические линии связи/О.В. Родина - М.: Горячая линия, 2009.-400c.

Волоконно-оптические ли нии связи (ВОЛС) – система в основе которой лежит оптоволоконный кабель, предназначена для передачи информации в оптическом (световом) диапазоне. В соответствии с ГОСТом 26599-85 термин ВОЛС заменен на ВОЛП (волоко́нно-опти́ческая ли́ния переда́чи), но в повседневном практическом обиходе по прежнему применяется термин ВОЛС, поэтому в данной статье мы будем придерживаться именно его.

Линии связи ВОЛС (если они корректно проведены) по сравнению со всеми кабельными системами отличаются очень высокой надежностью, отличным качеством связи, широкой пропускной способностью, значительно большей протяженностью без усиления и практически 100% защищенностью от электромагнитных помех. В основе системы лежит технология волоконной оптики – в качестве носителя информации используется свет, тип передаваемой информации (аналоговый или цифровой) не имеет значения. В работе преимущественно используется инфракрасный свет, средой передачи служит стекловолокно.

Область применения ВОЛС

Оптоволоконный кабель применяется для обеспечения связи и передачи информации уже более 40 лет, но из за высокой стоимости широко использоваться стал сравнительно недавно. Развитие технологий позволило сделать производство экономичней и стоимость кабеля доступней, а его технические характеристики и преимущества перед другими материалами быстро окупают все понесенные расходы.

В настоящее время, когда на одном объекте используется сразу комплекс слаботочных систем (компьютерная сеть, СКУД, видеонаблюдение, охранная и пожарная сигнализации, охрана периметра, телевидение и др.), обойтись без применения ВОЛС не возможно. Только использование оптоволоконного кабеля делает возможным одновременное применение всех этих систем, обеспечивает корректную стабильную работу и выполнение их функций.

ВОЛС все чаще применяется как основополагающая система при разработке и монтаже , в особенности для многоэтажных зданий, зданий большой протяженности и при объединении группы объектов. Только Волоконно-оптические кабели могут обеспечить соответствующий объем и скорость передачи информации. На основе оптоволокна могут быть реализованы все три подсистемы , в подсистеме внутренних магистралей оптические кабели применяются одинаково часто с кабелями из витых пар, а в подсистеме внешних магистралей они играют доминирующую роль. Различают оптоволоконный кабель для внешней (outdoor cables) и внутренней (indoor cables) прокладки, а так же соединительные шнуры для коммуникаций горизонтальной разводки, оснащения отдельных рабочих мест, объединения зданий.

Не смотря на относительно высокую стоимость, применение оптоволокна становится все более оправдано и находит все более широкое применение.

Преимущества волоконно-оптических линий связи (ВОЛС ) перед традиционными «металлическими» средствами передачи:

• Широкая полоса пропускания;
• Незначительное ослабление сигнала, например применительно к сигналу 10МГц оно составит 1,5 дБ/км по сравнению с 30дБ/км для коаксиального кабеля RG6;
• Исключена возможность возникновения «земляных петель», так как оптоволокно является диэлектриком и создает электрическую (гальваническую) изоляцию между передающим и принимающим концом линии;
• Высокая надёжность оптической среды: оптические волокна не окисляются, не намокают, не подвержены электромагнитному воздействию
• Не вызывает помех в соседних кабелях или в других оптоволоконных кабелях, так как носителем сигнала является свет и он полностью остается внутри оптоволоконного кабеля;
• Стекловолокно абсолютно не чувствительно к внешним сигналам и электромагнитным помехам (ЭМП), не имеет значения рядом с каким блоком питания проходит кабель (110 В, 240 В, 10 000 В переменного тока) или совсем рядом от мегаватного передатчика. Удар молнии на расстоянии 1 см. от кабеля не даст ни каких наводок и не отразится на работе системы;
• Информационная безопасность - информация по оптическому волокну передаётся «из точки в точку» и подслушать или изменить ее можно только путем физического вмешательства в линию передачи
• Оптоволоконный кабель легче и миниатюрней – его удобней и проще укладывать чем электрический кабель такого же диаметра;
• Сделать ответвление кабеля без повреждения качества сигнала не возможно. Любое вмешательство в систему сразу обнаруживается на принимающем конце линии, это особенно важно для систем обеспечения безопасности и видеонаблюдения;
• Пожаро- и взрывобезопасность при изменении физических и химических параметров

• Стоимость кабеля снижается с каждым днем, его качество и возможности начинают превалировать над затратами на построение слаботочных на базе ВОЛС

Идеальных и безупречных решений не существует, как и любая система, ВОЛС имеет свои недостатки:

• Хрупкость стекловолокна – при сильном изгибании кабеля возможна поломка волокон или их замутнение из-за возникновения микротрещин. Для устранения и минимизации этих рисков применяются усиливающие кабель конструкции и оплетки. При монтаже кабеля необходимо соблюдать рекомендации производителя (где, в частности, нормируется минимально допустимый радиус изгиба);
• Сложность соединения в случае разрыва – требуется специальный инструмент и квалификация исполнителя;
• Сложная технология изготовления, как самого волокна, так и компонентов ВОЛС;
• Сложность преобразования сигнала (в интерфейсном оборудовании);
• Относительная дороговизна оптического оконечного оборудования. Однако, оборудование является дорогим в абсолютных цифрах. Соотношение цены и пропускной способности для ВОЛС лучше, чем для других систем;
• Замутнение волокна вследствие радиационного облучения (однако, существуют легированные волокна с высокой радиационной стойкостью).

Монтаж систем ВОЛС требует от исполнителя соответствующего уровня квалификации, так как концевая заделка кабеля производится специальными инструментами, с особой точностью и мастерством в отличии от других средств передачи. Настройки маршрутизации и переключения сигналов требуют специальной квалификации и мастерства, поэтому в этой области не стоит экономить и бояться переплатить профессионалам, устранение нарушений в работе системы и последствий не правильного монтажа кабеля обойдется дороже.

Принцип действия оптоволоконного кабеля.

Сама идея передачи информации при помощи света, не говоря уже о физическом принципе работы большинству обывателей не совсем понятно. Мы не будем глубоко вдаваться в эту тему, но постараемся объяснить основной механизм действия оптоволокна и обосновать такие высокие показатели его работы.

Концепция волоконной оптики опирается на фундаментальные законы отражения и преломления света. Благодаря своей конструкции стекловолокно может удерживать световые лучи внутри световода и не дает им «пройти сквозь стены» при передачи сигнала на многие километры. Кроме того не секрет, что скорость света выше.

Волоконная оптика основывается на эффекте преломления при максимальном угле падения, когда имеет место полное отражение. Это явление происходит в том случае, когда луч света выходит из плотной среды и попадает в менее плотную среду под определенным углом. Например, представим себе абсолютно не подвижную гладь воды. Наблюдатель смотрит из под воды и меняет угол обзора. В определенный момент угол обзора становится таким, что наблюдатель не сможет видеть объекты, находящиеся над поверхностью воды. Этот угол называется углом полного отражения. При этом угле наблюдатель будет видеть только объекты, находящиеся под водой, будет казаться, что смотришь в зеркало.

Внутренняя жила кабеля ВОЛС имеет более высокий показатель преломления, чем оболочка и возникает эффект полного отражения. По этой причине луч света, проходя по внутренней жиле, не может выйти за ее пределы.

Существует несколько типов оптоволоконных кабелей:

• Со ступенчатым профилем – типичный, самый дешевый вариант, распределение света идет «ступеньками» при этом происходит деформация входного импульса, вызванная различной длиной траекторий световых лучей
• С плавным профилем «многомодовое» – лучи света распространяются с примерно равной скоростью «волнами», длина их путей уравновешена, это позволяет улучшить характеристики импульса;
• Одномодовое стекловолокно – самый дорогой вариант, позволяет вытянуть лучи в прямую, характеристики передачи импульса становятся практически безупречными.

Оптоволоконный кабель до сих пор стоит дороже чем другие материалы, его монтаж и заделка сложнее, требуют квалифицированных исполнителей, но будущее передачи информации несомненно за развитием именно этих технологий и этот процесс необратим.

В состав ВОЛС входят активные и пассивные компоненты. На передающем конце оптоволоконного кабеля находится светодиод или лазерный диод, их излучение модулировано передающим сигналом. Применительно к видеонаблюдению это будет видеосигнал, для передачи цифровых сигналов логика сохраняется. При передаче инфракрасный диод модулирован по яркости и пульсирует в соответствии с вариациями сигнала. Для принятия и преобразования оптического сигнала в электрический, на принимающем конце, как правило находится фотодетектор.

К активным компонентам относятся мультиплексоры, регенераторы, усилители, лазеры, фотодиоды и модуляторы.

Мультиплексор – объединяет несколько сигналов в один, таким образом для одновременной передачи нескольких сигналов реального времени можно использовать один оптоволоконный кабель. Эти устройства незаменимы в системах с недостаточным или ограниченным числом кабелей.

Существует несколько типов мультиплексоров, они различаются по своим техническим характеристикам, функциям и области применения:

• спектрального разделения (WDM) – самые простые и дешевые устройства, передает по одному кабелю оптические сигналы от одного или нескольких источников, работающих на различных длинах волн;
• частотного-модулирования и частотного мультиплексирования (FM-FDM) – устройства достаточно невосприимчивые к шуму и искажениям, с хорошими характеристиками и схемами средней степени сложности, имеют 4,8 и 16 каналов, оптимальны для видеонаблюдения.
• Амплитудной модуляции с частично подавленной боковой полосой (AVSB-FDM) – с качественной оптоэлектроникой позволяют передавать до 80 каналов, оптимальны для абонентского телевидения, но дороговаты для видеонаблюдения;
• Импульсно-кодовой модуляции (PCM – FDM)– дорогостоящее устройство, полностью цифровое применяется для распространения цифрового видео и и видеонаблюдения;

На практике часто применяются комбинации этих методов. Регенератор - устройство, осуществляющее восстановление формы оптического импульса, который, распространяясь по волокну, претерпевает искажения. Регенераторы могут быть как чисто оптическими, так и электрическими, которые преобразуют оптический сигнал в электрический, восстанавливают его, а затем снова преобразуют в оптический.

Усилитель -усиливает мощность сигнала до требуемого уровня напряжения тока, может быть оптическим и электрическим, осуществляет оптико-электронное и электронно-оптическое преобразование сигнала.

Светодиоды и Лазеры - источник монохромного когерентного оптического излучения (света для кабеля). Для систем с прямой модуляцией, одновременно выполняет функции модулятора, преобразующего электрический сигнал в оптический.

Фотоприёмник (Фотодиод) - устройство, принимающее сигнал на другом конце оптоволоконного кабеля и осуществляющее оптоэлектронное преобразование сигнала.

Модулятор - устройство, модулирующее оптическую волну, несущую информацию по закону электрического сигнала. В большинстве систем эту функцию выполняет лазер, однако в системах с непрямой модуляцией для этого используются отдельные устройства.

К пассивным компонентам ВОЛС относятся:

Оптоволоконный кабель – выполняет функции среды для передачи сигнала. Наружная оболочка кабеля может быть изготовлена из различных материалов: поливинилхлорида, полиэтилена, полипропилена, тефлона и других материалов. Оптический кабель может иметь бронирование различного типа и специфические защитные слои (например, мелкие стеклянные иглы для защиты от грызунов). По конструкции может быть:

Оптическая муфта - устройство, используемое для соединения двух и более оптических кабелей.

Оптический кросс - устройство, предназначенное для оконечивания оптического кабеля и подключения к нему активного оборудования.

Спайки – предназначены для постоянного или полупостоянного сращивания волокон;

Разъемы – для повторного присоединения или отключения кабеля;

Ответвители – устройства, распределяющием оптическую мощность нескольких волокон в одно;

Коммутаторы – устройства, перераспределяющие оптические сигналы под ручным или электронным контролем

Монтаж волоконно-оптических линий связи, его особенности и порядок.

Стекловолокно очень прочный, но хрупкий материал, хотя благодаря защитной оболочке, с ним можно обращаться практически как с электрическим. Однако при монтаже кабеля следует соблюдать требования производителей по:

• «Максимальному растяжению» и «максимальному разрывному усилию», выраженному в ньютонах (около 1000 Н или 1кН). В оптическом кабеле основное напряжение приходится на силовую конструкцию (укрепленный пластик, сталь, кевлар или их комбинация). Каждый тип конструкции имеет свои индивидуальные показатели и степень защиты, если натяжение превышает предусмотренный уровень, то оптоволокно может быть повреждено.
• «Минимальному радиусу изгиба» – делать изгибы более плавными, избегать резких сгибов.
• «Механической прочности», она выражается в Н/м (ньютоны/метры) – защита кабеля от физических нагрузок (на него можно наступить или даже наехать транспортом. Следует быть предельно осторожными и особо обезопасить места пересечения и соединения, нагрузка сильно увеличивается из-за малой зоны контакта.

Оптический кабель обычно поставляется намотанным на деревянные барабаны с прочным пластиковым защитным слоем или деревянными планками по окружности. Внешние слои кабеля наиболее уязвимы, поэтому при монтаже необходимо помнить о весе барабана, беречь его от ударов, падений, предпринимать меры безопасности при складировании. Лучше всего хранить барабаны горизонтально, если же они все-таки лежат вертикально, то их края (ободы) должны соприкасаться.

Порядок и особенности монтажа оптоволоконного кабеля:

1. До начала монтажа необходимо осмотреть барабаны с кабелем на предмет повреждений, вмятин, царапин. При любом подозрении кабель лучше сразу отложить в сторону для последующего детального изучения или отбраковки. Короткие куски (меньше 2 км.) на непрерывность волокна можно проверить на просвет любым фонариком. Волоконный кабель для инфракрасной передаче так же хорошо передает обычный свет.
2. Далее изучить трассу на предмет потенциальных проблем (острые углы, забитые кабельные каналы и т.д.), при их наличии внести в маршрут изменения для минимизации рисков.
3. Распределить кабель по маршруту таким образом, чтобы точки соединения и подключения усилителей находились в доступных, но защищенных от неблагоприятных факторов местах. Важно, чтобы в местах будущих соединений оставался достаточный запас кабеля. Открытые концы кабеля должны быть защищены водонепроницаемыми колпаками. Для минимизации напряжения на изгиб и повреждений от проезжающего транспорта используются трубы. На обоих концах кабельной линии оставляют часть кабеля, его длина зависит от планируемой конфигурации).
4. При прокладке кабеля под землей его дополнительно защищают от повреждений в локальных точках нагрузки, таких как контакт с неоднородным материалом засыпки, неровностями траншеи. Для этого кабель в траншее укладывают на слой песка 50-150 см. и сверху засыпают таким же слоем песка 50-150 см. Дно траншеи должно быть ровным, без выступов, при закапывании следует удалять камни, которые могут повредить кабель. Следует отметить, что повреждения кабеля могут возникнуть как сразу, так и в процессе эксплуатации (уже после засыпки кабеля), например от постоянного давления, не убранный камень может постепенно продавить кабель. Работы по диагностике и поиску и устранению нарушений уже закопанного кабеля обойдутся намного дороже, чем аккуратность и соблюдение мер предосторожности при монтаже. Глубина траншеи зависит от типа почвы и ожидаемой нагрузки на поверхности. В твердой породе глубина составит 30 см., в мягкой или под дорогой 1 м. Рекомендуемая глубина составляет 40-60 см., при толщине песчаной подстилки от 10 до 30 см.
5. Чаще всего применяется укладка кабеля в траншею или в лоток прямо с барабана. При монтаже очень длинных линий, барабан помещается на транспортное средство, по мере продвижения машины кабель укладывается на свое место, при этом не стоит торопиться, темп и порядок размотки барабана регулируется вручную.
6. При укладке кабеля в лоток самое главное не превышать критический радиус изгиба и механической нагрузки. Кабель следует укладывать в одной плоскости, не создавать точек сосредоточенных нагрузок, избегать на трассе резких углов, давления и пересечения с другими кабелями и трассами, не изгибать кабель.
7. Протяжка оптоволоконного кабеля через кабельные каналы аналогична протяжке обычного кабеля, но не стоит прилагать излишних физических усилий и нарушать спецификации производителя. При использовании скоби хомутов помните, что нагрузка должна ложиться не на внешнюю оболочку кабеля, а на силовую конструкцию. Для уменьшения трения можно использовать тальк или гранулы из полистирола, по поводу применения других смазок необходимо консультироваться с производителем.
8. В случаях, если кабель уже имеет концевую заделку, при монтаже кабеля следует быть особенно внимательными, что бы не повредить разъемы, не загрязнить их и не подвергать чрезмерной нагрузке в зоне соединения.
9. После укладки кабель в лотке закрепляется нейлоновыми стяжками, он не должен сползать или провисать. Если особенности поверхности не позволяют использовать специальные кабельные крепления, допустимо применение хомутов, но с особой осторожностью, чтобы не повредить кабель. Рекомендуется применение хомутов с пластиковым защитным слоем, для каждого кабеля следует использовать отдельный хомут и ни в коем случае не стягивать вместе несколько кабелей. Между конечными точками крепления кабеля лучше оставить небольшую слабину, а не класть кабель в натяг, иначе он будет плохо реагировать на колебания температуры и вибрации.
10. Если при монтаже оптоволокно все-таки было повреждено, пометьте участок и оставьте достаточный запас кабеля для последующего сращивания.

В принципе, прокладка оптоволоконного кабеля не сильно отличается от монтажа обычного кабеля. Если соблюдать все указанные нами рекомендации, то проблем при монтаже и эксплуатации не возникнет и Ваша система будет работать долго, качественно и надежно.

Пример типового решения по прокладке линии ВОЛС

Задача – организовать систему ВОЛС между двумя отдельно стоящими зданиями производственного корпуса и административного здания. Расстояние между зданиями 500 м.

Смета на монтаж системы ВОЛС

№п/п	Наименование оборудования, материалов, работ	Ед. из-я	Кол-во	Цена за ед.	Сумма, в руб.
I.	Оборудование системы ВОЛС, в том числе:				25 783
1.1.	Кросс оптический настенный (ШКОН) 8 портов	шт.	2	2600	5200
1.2.	Медиаконвертер 10/100-Base-T / 100Base-FX, Tx/Rx: 1310/1550нм	шт.	2	2655	5310
1.3.	Муфта оптическая проходная	шт.	3	3420	10260
1.4.	Ящик коммутационный 600х400	шт.	2	2507	5013
II.	Кабельные трассы и материалы системы ВОЛС, в том числе:				25 000
2.1.	Оптический кабель с внешним тросом 6кН, центральный модуль, 4 волокна, одномодовый G.652.	м.	200	41	8200
2.2.	Оптический кабель с внутренним несущим тросом, центральный модуль, 4 волокна, одномодовый G.652.	м.	300	36	10800
2.3.	Прочие расходные материалы (разъемы, саморезы, дюбеля, изоляционная лента, крепления и т.п.)	компл.	1	6000	6000
III.	ИТОГО СТОИМОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ И МАТЕРИАЛОВ (п.I+п.II)				50 783
IV.	Транспортно-заготовительные расходы, 10% *п.III				5078
V.	Работы по монтажу и коммутации оборудования, в том числе:				111 160
5.1.	Монтаж перетяжки	ед.	4	8000	32000
5.2.	Прокладка кабеля	м.	500	75	37500
5.3.	Монтаж и сварка разъемов	ед.	32	880	28160
5.4.	Монтаж коммутационного оборудования	ед.	9	1500	13500
VI.	ВСЕГО ПО СМЕТЕ (п.III+п.IV+п.V)				167 021

Пояснения и комментарии:

1. Общая протяженность трассы 500 м., в том числе:
   • от забора до производственного корпуса и административного здания составляет по 100 м. (итого 200 м.);
   • вдоль забора между зданиями 300 м.
2. Монтаж кабеля осуществляется открытым способом, в том числе:
   • от зданий до забора (200 м.) по воздуху (перетяжка) с применением специализированных для прокладки ВОЛС материалов;
   • между зданиями (300 м.) по забору из железобетонных плит, кабель закрепляется по середине полотна забора при помощи металлических клипс.
3. Для организации ВОЛС используется специализированный самонесущий (встроенный трос) бронированный кабель.

В настоящее время в качестве оптических линий связи используют:

• а) оптические линии с использованием волоконно-оптического кабеля - волоконно-оптические линии связи (ВОЛС);
• б) оптические линии связи без использования волоконно-оптического кабеля.

Наилучшие показатели по скорости передачи данных, по помехозащищенности, по защищенности от несанкционированного доступа имеют волоконно-оптические линии связи.

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС)

Структурная схема волоконно-оптической линии связи приведена на рис. 7.11.

Рис. 7.11.

Электрический сигнал поступает на передатчик - трансивер, который преобразует электрический сигнал в световой импульс. Последний через оптический соединитель подается в оптический кабель. В месте приема оптический кабель с помощью оптического соединителя подключатся к приемнику - трансиверу, преобразующему пучок света в электрический сигнал.

В зависимости от назначения ВОЛС, ее протяженности, качества используемых комплектующих структурная схема может изменяться. При значительных расстояниях между пунктами передачи и приема вводится ретранслятор - усилитель сигналов. При малой длине оптического кабеля (если хватает строительной длины оптического кабеля) сварка кабеля не нужна. Под строительной длиной понимают длину цельного куска кабеля, поставляемого заводом-изготовигелем.

Волоконно-оптические линии связи имеют следующие достоинства:

• 1. Высокую помехозащищенность от внешних электромагнитных помех и от межканальных взаимонаводок.
• 2. Широкий диапазон рабочих частот позволяет по такой линии связи передавать информацию со скоростью 10 |2 бит/с = Тбит/с.
• 3. Защищенность от несанкционированного доступа: излучения в окружающее пространство ВОЛС почти не дает, а изготовление отводов оптической энергии без разрушения кабеля практически невозможно. А всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы с помощью мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии.
• 4. Возможность скрытой передачи информации.
• 5. Потенциально низкую стоимость, обусловленную заменой дорогостоящих цветных металлов (медь) материалами с неограниченными сырьевыми ресурсами (двуокись кремния).
• 6. Автоматически обеспечивается гальваническая развязка сегментов линии.

Однако в оптоволоконной технологии имеются и свои недостатки:

• 1. Высокая стоимость аппаратуры.
• 2. Требуется дорогое технологическое оборудование, как в процессе монтажа, так и в процессе эксплуатации. При обрыве оптического кабеля затраты на его восстановление значительно выше, чем на восстановление медного кабеля.
• 3. Оптические кабели нестойки к воздействию радиации.

Основу ВОЛС составляют оптические кабели, изготавливаемые из

отдельных световодов - оптических волокон.

Оптическое волокно представляет собой тонкую двухслойную нить, состоящую из сердечника и оболочки с различными показателями преломления. Для защиты волокна от атмосферных и механических воздействий поверх светоотражающей оболочки накладывается защитное покрытие. Конструкция оптического волокна с защитным покрытием представлена на рис.7.12.

Рис. 7.12.

Используются 3 типа оптических волокон: полимерные оптические волокна (POF = Plastic Optical Fiber), кварц-полимерные оптические волокна (PCF = Polymer Cladded Fiber), кварцевые оптические волокна (GOF = Glass Optical Fiber).

Полимерные оптические волокна изготавливаются из полимерных материалов, имеющих высокие оптические свойства. Волоконно- оптические кабели из полимерного оптического волокна характеризуются хорошей гибкостью (при диаметре волокна 1,5 мм допустимый радиус изгиба волокон равен 8 мм) и обеспечивают пропускную способность до 2,5 Гбит/с, что существенно выше, чем у витой пары (max 1 Гбит/с). Дальность передачи данных - до 80 м.

POF используется в настоящее время достаточно широко. Его используют для систем декоративного, архитектурного и ландшафтного освещения, для подсветки бассейнов, для безопасного освещения взрывоопасных помещений. Еще одной областью применения можно считать использование POF для изготовления систем визуальной индикации информационных панелей бытовой, автомобильной, промышленной и медицинской электроники. ПОВ применяют для создания высокоскоростных недорогих, свободных от электромагнитных помех линий передачи данных на небольшие расстояния (системы автоматизации технологических процессов, передача сигналов от видеокамер, оптических датчиков; локальные вычислительные сети). Например, ПОВ-кабели используются в промышленном стандарте PROFIBUS. На рис.7.13 приведен внешний вид такого кабеля с установленным соединителем.

Кварц-полимерные оптические волокна изготавливаются с кварцевым сердечником и полимерной светоотражающей оболочкой и предназначены для систем внутри- и межобъектовой связи. Дальность передачи данных до 400 м, радиус многократных изгибов кабеля - не менее

75 мм. PCF-кабсли поставляются заранее разделанными с установленными соединителями. Внешний вид одного из таких кабелей приведен на рис. 7.13.

Рис. 7.13.

Кварцевые оптические волокна изготавливаются из высокочистого кварцевого стекла (сердечник и светоотражающая оболочка) и применяются гам, где большие объемы данных необходимо передавать на высоких скоростях и на большие расстояния - до нескольких километров (систем дальней, внутри- и межобъектовой связи: локальных компьютерных сетях LAN (Local Area Networks), сетях MAN (Metropolitan Area Networks), сетях WAN (Wide Area Networks)).

Передача оптической энергии по оптическому волокну обеспечивается с помощью эффекта полного внутреннего отражения. Кварцевое оптическое волокно представляет собой двухслойный цилиндрический световод (рис. 7.14).

Рис. 7.

в оптоволокне

Материал внутренней жилы имеет показатель преломления п и а материал внешнего слоя - п 2 , при этом п > п 2 , т. е. материал внутренней жилы оптически более плотный, чем материал оболочки. Для излучения, входящего в цилиндр под малыми углами по отношению к оси цилиндра, выполняется условие полного внутреннего отражения: при падении излучения на границу с оболочкой вся энергия излучения отражается внутрь жилы световода. То же самое происходит и при всех последующих отражениях; в результате излучение распространяется вдоль оси световода, не выходя через оболочку. Максимальный угол отклонения от оси, при котором еще имеется полное внутреннее отражение, определяется выражением

Величина А 0 называется числовой апертурой световода и учитывается при согласовании световода с излучателем. Излучение, падающее на торец под углами у >уо (внеапертурные лучи), при взаимодействии с оболочкой не только отражается, но и преломляется; часть оптической энергии уходит из световода. В конечном итоге после многократных встреч с границей жила-оболочка такое излучение полностью рассеивается из световода.

Оптоволокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: дисперсией и затуханием.

Дисперсия, т. е. зависимость скорости распространения сигнала от длины волны излучения, - важнейший параметр оптического волокна. Поскольку при передаче информации светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространении по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке дисперсии пользуются термином «полоса пропускания» - величина, обратная величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в мегагерцах на километр (МГц км). Дисперсия накладывает ограничения на дальность передачи и верхнее значение частоты передаваемых сигналов.

Затухание определяется потерями на поглощение и рассеяние излучения в оптоволокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, а потери на рассеяние - от неоднородности его показателей преломления. Зависит затухание и от длины волны излучения, вводимого в оптоволокно.

Количественно затухание определяется по формуле

где Р вх - мощность входного оптического сигнала; Р еих - мощность выходного оптического сигнала; / - длина световода.

Единицей измерении затухания служит децибелл на километр (дБ/км).

Величины затухания и дисперсии различаются для разных типов кварцевых оптических волокон.

В зависимости от диаметра и профиля показателя преломления в направлении от центра к периферии в поперечном сечении световода они делятся на многомодовые со ступенчатым профилем показателя преломления, одномодовые волокна, многомодовые волокна с градиентным изменением показателя преломления. На рис. 7.15 приведены пути распространения света в различных типах оптоволокна.

Рис. 7.15.

Волокно на (рис.7.15, а) называется волокном со ступенчатым профилем показателя преломления и многомодовым, поскольку для распространения луча света существует много возможных путей, или мод. Это множество мод приводит к дисперсии (уширению) импульса, поскольку каждая мода проходит в волокне различный путь, а поэтому разные моды имеют разную задержку передачи, проходя от одного конца волокна до другого. Результат этого явления - ограничение максимальной частоты, которую можно эффективно передавать при данной длине волокна. Увеличение или частоты, или длины волокна сверх предельных значений, по существу, приводит к слиянию следующих друг за другом импульсов, из-за чего их становится невозможно различить. Для типового многомодового волокна этот предел равен примерно 15 МГц км. Это означает, что видеосигнал с полосой, например, 5 МГц может быть передан на максимальное расстояние в 3 км (5 МГц? 3 км = 15 МГц км). Попытка передать сигнал набольшее расстояние приведет к прогрессирующей потере высоких частот. В многомодовом волокне диаметр световой жилы составляет 50; 62,5; 85; 140 мкм.

Одномодовые волокна (рис.7.15, Ь) весьма эффективно снижают дисперсию, и результирующая полоса - во много ГГц км - делает их идеальными для протяженных линий связи. По одномодовым световодам в идеальном случае распространяется только одна волна. Они обладают значительно меньшим коэффициентом затухания (в зависимости от длины волны в 2...4 и даже в 7... 10 раз) по сравнению с многомодовыми и наибольшей пропускной способностью, т. к. в них почти не искажается сигнал. Но для этого диаметр сердцевины световода должен быть соизмерим с длиной волны. Практически диаметр равен 8... 10 мкм. К сожалению, волокно столь малого диаметра требует применения мощного, прецизионно совмещенного, а поэтому сравнительно дорогостоящего излучателя на лазерном диоде, что снижает их привлекательность для многих применений.

В идеале требуется волокно с полосой пропускания того же порядка, что и одномодового волокна, но с диаметром, как у многомодового, чтобы было возможно применение недорогих передатчиков на светодиодах. До некоторой степени этим требованиям удовлетворяет многомодовое волокно с градиентным изменением показателя преломления (рис. 7.15, с). Оно напоминает многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления, о котором говорилось выше, но показатель преломления его сердцевины неоднороден - он плавно изменяется от максимального значения в центре до меньших значений на периферии. Это приводит к двум следствиям. Первое - свет распространяется по слегка изгибающемуся пути, и второе, и более важное, различия в задержке распространения разных мод минимальны. Это связано с тем, что высокие моды, входящие в волокно под большим углом и проходящие больший путь, на самом деле начинают распространяться с большей скоростью по мерс того, как они удаляются от центра в зону, где показатель преломления снижается, и в основном движутся быстрее, чем моды низших порядков, остающиеся вблизи оси волокна, в области высокого показателя преломления. Увеличение скорости как раз компенсирует больший проходимый путь.

Градиентные многомодовые световоды предпочтительнее, т. к. в них, во-первых, распространяется меньше мод и, во-вторых, меньше различаются их углы падения и отражения, а следовательно, благоприятнее условия передачи.

Хотя многомодовые волокна с градиентным показателем преломления не являются идеальными, но тем не менее они демонстрируют весьма неплохие значения полосы. Поэтому в большинстве систем малой и средней протяженности выбор такого типа волокон оказывается предпочтительным.

Оптический сигнал затухает во всех волокнах со скоростью, зависящей от длины волны передатчика источника света. Существует три длины волны, на которых затухание оптического волокна обычно минимально, - 850, 1310 и 1550 нм. Они известны как окна прозрачности. Для многомодовых систем окно на длине волны в 850 нм - первое и наиболее часто используемое (наименьшая цена оптоволоконной линии связи). На этой длине волны градиентное многомодовое волокно хорошего качества показывает затухание порядка 3 дБ/км, что делает возможной реализацию связи на расстояниях свыше 3 км.

На длине волны 1310 нм то же самое волокно показывает еще меньшее затухание - 0,7 дБ/км, позволяя тем самым пропорционально увеличить дальность связи примерно до 12 км; 1310 нм - это также первое рабочее окно для одномодовых оптоволоконных систем, затухание при этом составляет около 0,4 дБ/км, что в сочетании с передатчиками на лазерных диодах позволяет создавать линии связи длиной свыше 50 км. Второе окно прозрачности - 1550 нм - используется для создания еще более длинных линий связи (затухание волокна - менее 0,24 дБ/км).

Значения затухания в различных окнах прозрачности в многомодовых и одномодовых световодах приведены в табл. 7.3.

Таблица 7.3

Значения затухания в многомодовых и одномодовых световодах

Для связи приемника и передатчика используется волоконно- оптический кабель (ВОК), в котором оптические волокна дополняются элементами, повышающими эластичность и прочность кабеля, защиту кабеля от внешних факторов. Различают кабели для внутренней прокладки, кабель для использования вне помещений (кабели, которые могут закапываться в грунт; кабели, которые прокладываются в специальных канализациях; кабели, которые подвешиваются на открытом пространстве), кабели для подводных протяженных линий связи.

Почти вес европейские производители наносят на оптоволоконный кабель маркировку, соответствующую системе стандарта DIN VDE 0888. По этому стандарту каждому типу кабеля ставится в соответствие последовательность букв и цифр, в которых заключены все характеристики волоконно-оптических кабелей. Отечественные производители используют свою классификацию и свою систему обозначений.

Временный выход из строя оптического кабеля или отсутствие возможности прокладки кабеля, необходимость высокой защищенности от электромагнитных помех и перехвата привело к созданию беска- бельных оптических линий связи с различной дальностью связи.

Оптические линии связи без использования волоконно-оптического кабеля разделяют на оптические линии с большой дальностью связи и локальные беспроводные оптические линии.

Идеология бескабельной оптики основана на том, что оптический канал заменяет кабель.