Создание высоконадежных оптических кабельных систем связи стало возможным в результате разработки в начале 70-х годов оптических волокон с малыми потерями. Такие волокна в значительной мере стимулировали разработку специализированного оборудования и элементов линейного тракта ВОСП.
В России активно ведется строительство волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) различного назначения: городских, зоновых, магистральных. В 86 городах (Москва, Нижний Новгород, С.-Петербург, Новосибирск, Тбилиси, Киев, Баку, Ташкент, Минск, Кишинев и др.) действуют оптические соединительные линии между АТС с цифровыми системами передачи ИКМ-120. Построен ряд зоновых линий внутриобластного назначения, например: С.-Петербург—Сосновый бор, Уфа—Стерлитамак, Тула—Щекино, Воронеж—Павловск, Рязань—Мосолово, Майкоп—Краснодар, Клин—Солнечногорск, Ростов—Азов, Курская область, Минск—Смолевичи, Рига—Юрмала и др. Построена одномодовая магистраль С.-Петербург—Минск протяженностью 1000 км на большое число каналов.
В России с участием инофирм осуществляется строительство транссибирской линии (ТСЛ), которая свяжет Японию, Россию, Европу. Общее число каналов составит 30 000. Половина из них предназначена для России; в крупных городах, расположенных по трассе, часть этих каналов будет выделяться, вторая половина каналов пройдет транзитом на Европу.
Транссибирская линия после включения в мировую межнациональную сеть связи замкнет глобальное волоконно-оптическое кольцо, которое охватит четыре континента (Европа—Америка—Азия—Австралия) и пройдет через три океана (Атлантический, Тихий, Индийский).
Достоинства оптических кабелей и область их применения
Наряду с экономией цветных металлов, и в первую очередь меди, оптические кабели обладают следующими достоинствами:
· широкополосность, возможность передачи большого потока информации (несколько тысяч каналов);
· малые потери и соответственно большие длины трансляционных участков (30...70 и 100 км);
· малые габаритные размеры и масса (в 10 раз меньше, чем электрических кабелей);
· высокая защищенность от внешних воздействий и переходных помех;
· надежная техника безопасности (отсутствие искрения и короткого замыкания).
К недостаткам оптических кабелей можно отнести:
· подверженность волоконных световодов радиации, за счет которой появляются пятна затемнения и возрастает затухание;
· водородная коррозия стекла, приводящая к микротрещинам световода и ухудшению его свойств.
Области применения ОК с учетом их достоинств перечислены на (рис.18).
 |
Рис. 18. Свойства и области использования ВОЛС
Для систем связи существенными являются показатели 1—5, для автоматизированных систем управления и ЭВМ—показатели 1, 2, 3. Мобильные подвижные системы требуют выполнения в первую очередь показателей 1, 2, 6.
Область возможных применений ВОЛС весьма широка — от линии городской и сельской связи и бортовых комплексов (самолеты, ракеты, корабли) до систем связи на большие расстояния с высокой информационной .емкостью. На основе оптической волоконной связи могут быть созданы принципиально новые системы передачи информации. На базе ВОЛС развивается единая интегральная сеть многоцелевого назначения. Весьма перспективно применение оптических систем в кабельном телевидении, которое обеспечивает высокое качество изображения и существенно расширяет возможности информационного обслуживания абонентов.
Физические прцессы в волоконных световодах
 |
В отличие от обычных кабелей, обладающих электрической проводимостью и током проводимости , ОК имеют совершенно другой механизм — они обладают токами смещения , на основе которых действует также радиопередача. Отличие от радиопередачи состоит в том, что волна не распространяется в свободном пространстве, а концентрируется в самом объеме световода и передается по нему в заданном направлении (рис.19).
Рис.19. Процесс передачи:
а—радиосвязь; б—волоконно-оптическая связь
Передача волны по световоду осуществляется за счет отражений ее от границы сердцевины и оболочки, имеющих разные показатели преломления . В обычных кабелях носителем передаваемой информации является электрический ток, а в ОК—лазерный луч.
В обычных широко используемых в настоящее время симметричных и коаксиальных кабелях передача организуется по двухпроводной схеме с применением прямого и обратного проводников цепи (рис.20).
 |
Рис. 20. Передача энергии по двухпроводным (а) и волноводным (б) направляющим средам
В световодах, волноводах и других направляющих средах (НС) нет двух проводников, и передача происходит волноводным методом по закону многократного отражения волны от границ раздела сред. Такой отражательной границей может быть металл—диэлектрик, диэлектрик—диэлектрик с различными диэлектрическими (оптическими) свойствами и др.
Граница раздела двухпроводных (двухсвязных) и волноводных (односвязных) НС характеризуется в первую очередь соотношением между длиной волны и поперечными размерами направляющей среды .
При должно быть два провода: прямой и обратный, и передача происходит по обычной двухпроводной схеме; в противном случае не требуется двухпроводная система, и передача осуществляется за счет многократного отражения волны от границ раздела сред с различными характеристиками. Поэтому передача по волноводным системам (световодам, волноводам и другим НС) возможна лишь в диапазоне очень высоких частот, когда длина волны меньше, чем поперечные размеры—диаметр НС.
Оптические микронные волны подразделяются на три диапазона: инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый (таблица №3). В настоящее время используются в основном волны длиной 0,7...1,6 мкм и ведутся работы по освоению ближнего инфракрасного диапазона: 2; 4; 6 мкм.
Таблица №3
| Диапазон | ИКЛ | ВЛ | УФЛ |
| f , Гц | 1012 ... 1014 | 10—14 ... 1015 | 1015 ... 1017 |
| λ, мкм | 0,75...100 | 0,4...0,75 | 0,01...0,4 |
Таким образом, для передачи электромагнитной энергии применяются электрические оптические кабели, а также радиосвязь (таблица №4).
Таблица №4 (Передача по электрическим (ЭК), оптическим (ОК) кабелям и радиосвязным каналам (РС))
| Среда передачи | НС | НС | ОС |
| Ток | IФ | Iсм | Iсм |
В разных системах используются различные среды (направляющая или открытая) и токи ( и ). Особенности этих НС связаны с частотными ограничениями при передаче энергии.
Принципиально различен частотный диапазон передачи по волноводным и двухпроводным системам. Волноводные системы имеют частоту отсечки — критическую частоту , ведут себя как фильтры ВЧ, и по ним возможна лишь передача волн длиной менее чем . Двухпроводные системы свободны от этих ограничений и способны передавать весь диапазон частот — от нуля и выше.
Волоконные световоды
Основным элементом ОК является волоконный световод, выполненный в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы. Волоконный световод имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными оптическими характеристиками (показателями преломления ). Сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии. Назначение оболочки: создание лучших условий отражения на границе “сердцевина—оболочка” и защита от излучения энергии в окружающее пространство. Снаружи располагается защитное покрытие для предохранения волокна от механических воздействий и нанесения расцветки.Сердцевина и оболочка изготовляются из кварца , покрытие — из эпоксиакрилата, фторопласта, нейлона, лака и других полимеров.
 |
Оптические волокна классифицируются на одномодовые и многомодовые. Последние подразделяются на ступенчатые и градиентные. Одномодовые волокна имеют тонкую сердцевину (6…8 мкм), и по ним передается одна волна; по многомодовым (сердцевина 50 мкм) распространяется большое число волн. Наилучшими параметрами по пропускной способности и дальности обладают одномодовые волокна. У ступенчатых световодов показатель преломления в сердечнике постоянен, имеется резкий переход от сердцевины к оболочки и лучи зигзагообразно отражаются от границы “сердечник—оболочка”. Градиентные световоды имеют непрерывное плавное изменение показателя преломления в сердцевине по радиусу световода от центра к периферии, и лучи распространяются по волнообразным траекториям. Показатель преломления сердцевины меняется вдоль радиуса по закону показательной функции
,
где — максимальное значение показателя преломления на оси волокна, т. е. при r= 0; и— показатель степени, описывающей профиль изменения показателя преломления:
 |
 |
Чаще всего применяются световоды с параболическим профилем. В этом случае и= 2 и соответственно:
 |
Если принять , то получим известное значение п ступенчатого световода
Дисперсия и пропускная способность
Параметр (пропускная способность) является наряду с затуханием к важнейшим параметром ВОСП. Он определяет полосу частот, пропускаемую световодом, и соответственно объем информации, который можно передать по ОК..
В предельном идеализированном варианте по ВС возможна организация огромного числа каналов на большие расстояния, но фактически имеются значительные ограничения. Это обусловлено тем, что сигнал на вход приемного устройства приходит размытым, искаженным, причем чем длиннее линия, тем больше искажается передаваемый сигнал.
Данное явление носит название дисперсии и обусловлено различием времени распространения различных мод в световоде и наличием частотной зависимости показателя преломления.
 |
Дисперсия—это рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала. Дисперсия приводит к увеличению длительности импульса при прохождении по ОК. Уширение импульса т определяется как квадратичная разность длительности импульсов на выходе и входе формуле
причем значения и берутся на уровне половины амплитуды импульсов.
 |
Связь между величиной уширения импульсов и полосой частот, передаваемых по ВС, приближенно выражается соотношением
 |
Так, если =20 нс/км, то
Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон использования световодов, но и существенно снижает дальность передачи по ОК, так как чем длиннее линия, тем больше проявляется дисперсия и больше уширение импульса.
Пропускная способность ОК существенно зависит от типа ВС (одномодовые, многомодовые, градиентные), а также от типа излучателя (лазер, светодиод).
Причинами возникновения дисперсии являются :
· некогерентность источников излучения и появление спектра;
· существование большого количества мод (N) .
 |
В первом случае дисперсия называется хроматической (частотной). Она делится на материальную и волноводную (внутримодовую дисперсию). Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны
 |
Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны
 |
Во втором случае дисперсия называется кодовой и обусловлена наличием большого количества мод, время распространения которых различно
В геометрической интерпретации соответствующие модам лучи идут под разными углами, проходят различный путь в сердцевине волокна и, следовательно, поступают на вход приемника с различной задержкой.
Результирующее значение уширения импульсов за счет модовой, материальной и волноводной дисперсий
 |
С учетом реального соотношения вкладов отдельных видов дисперсий имеем для многомодовых волокон уширение импульсов
 |
а для одномодовых волокон
Величина уширения импульса в многомодовых волокнах за счет модовой дисперсии, которая характеризуется временем нарастания сигнала и определяется как разность между самым большим и самым малым временем прихода в сечение световода на расстоянии I от начала, может быть рассчитана для ступенчатого и градиентного световода соответственно по формулам
 |
 |
и,
 |
где — показатель преломления сердцевины; — показатель преломления оболочки; l — длина линии; c — скорость света;
— длина связи мод, при которой наступает установившийся режим (5...7 км для ступенчатого и 10...15 км градиентного волокон);
Соответственно пропускная способность градиентного световода в 2/Δ раз меньше, чем ступенчатого, при одинаковых значениях Δ. Учитывая, что, как правило, Δ ≈ 1%, различие пропускной способности указанных световодов может достигать двух порядков.
 |
Уширения импульса τ в одномодовых волокнах могут быть определены по формулам
 |
где — относительная ширина спектра излучения; l —длина линии; с — скорость света; λ— длина волны; n1 — показатель преломления.
 |
Для расчета можно воспользоваться также упрощенными формулами
 |
и
где — ширина спектральной линии источника излучения, равная 0,1...4 нм для лазера и 15...80 нм для световода; l — длина линии; и M(λ) и B(λ) — удельные материальная и волноводная дисперсии соответственно.
Удельные дисперсии выражаются в пикосекундах на километр (длины световода) и нанометр (ширины спектра). Зависимости материальной и волноводной дисперсий для кварцевого стекла приведены на (рис.21).
 |
Рис. 21. Удельные значения дисперсий в одномодовых волокнах при различных длинах волн:
1 — волноводная; 2 — материальная 3 — результирующая.
Как видно из рисунка, с увеличением длины волны τмат уменьшается и проходит через нуль, а τвв несколько растет. Вблизи λ ≈ 1,35 мкм происходит их взаимная компенсация и результирующая дисперсия приближается к нулевому значению. Поэтому длина волны 1,3 мкм получает широкое применение в одномодовых системах передачи. Однако по затуханию предпочтительнее волна 1,55 мкм, и для достижения минимума дисперсии в этом случае приходится варьировать профилем показателя преломления и диаметром сердцевины. При сложном профиле типа W и трехслойном световоде можно и на длине волны 1,55 мкм получить минимум дисперсионных искажений.
В таблице №5 приведены дисперсионные свойства различных типов ВС.
Таблица №5
| Вид дисперсии | Величина дисперсии световода | ||
| многомодового | одномодового | ||
| ступенчатого | градиентного | ||
| Волноводная | Малое значение | Взаимная компенсация | |
| Материальная | 2...5 нс/км | 0,1...0,3 нс/км | Малые значения |
| Межмодовая | 30...50 нс/км | 2...4 нс/км | — |
| Полоса частот | Десятки мегагерц | Сотни мегагерц | Тысячи мегагерц |
Сравнивая дисперсионные характеристики различных световодов, можно отметить, что лучшими обладают одномодовые световоды. Хорошие характеристики также у градиентных световодов с плавным изменением показателя преломления. Наиболее резко дисперсия проявляется у ступенчатых многомодовых световодов.
Рассмотрим пропускную способность ОК. В электрических кабелях с медными проводниками (симметричных и коаксиальных) полоса пропускания и дальность связи в основном лимитируются затуханием и помехозащищенностью цепей. Оптические кабели принципиально не подвержены электромагнитным воздействиям и обладают высокой помехозащищенностью, поэтому параметр помехозащищенности не является ограничивающим фактором. В ОК полоса пропускания и дальность связи лимитируются затуханием и дисперсией.
 |
Затухание ОК растет по закону √f. В широкой полосе частот оно весьма стабильное и лишь на очень высоких частотах возрастает за счет дисперсии. Поэтому дисперсия и определяет ширину полосы пропускания частот. Из рисунка видно, что полоса пропускания одномодовых световодов существенно больше, чем ступенчатых и градиентных.
Рис. 22. Зависимость дисперсии (τ) и пропускной способности (ΔF) ОК от длины линии
На рис.22 показан характер зависимостей дисперсии (τ ) и пропускной способности (ΔF ) оптических кабелей от длины линии. Дисперсия приводит как к ограничению пропускной способности ОК, так и к снижению дальности передачи по ним (l ). Полоса частот и дальность передачи l взаимосвязаны. Соотношение между ними выражается формулами:
·
 |
для коротких линий (l < lc ), у которых уширение импульсов с длиной растет линейно,
·
 |
для длинных линий (l > lc ), у которых действует закон √ l изменения величины ширины импульсов,
где ΔF — дисперсия на 1 км;ΔFx — искомое значение дисперсии; lx — длина линии; lc — длина линии устанавливающего режима (5...7 км для ступенчатого и 10...15 км для градиентного волокна).
|
Километрическое значение полосы пропускания определяется величиной уширения импульсов:
Оптоэлектронные компоненты
Основой ВОСП являются оптоэлектронные компоненты, и в первую очередь лазеры на передаче сигналов и фотодиоды на их приеме. Лазерные системы работают в оптическом диапазоне волн. Если при передаче по кабелям используются частоты порядка мегагерц, а по волноводам — гигагерц, то для лазерных систем используется видимый инфракрасный спектр оптического диапазона волн (1014 ...1015 Гц).
Лазер состоит из активной среды, устройства накачки и резонансной системы (рис. 23). Активной средой может быть твердый, жидкий или газообразный материал. Широкое применение получили полупроводники. В качестве устройства накачки используется главным образом электрическая энергия. Могут применяться также солнечная радиация, атомная энергия, химическая реакция и другие источники. Роль резонанса выполняют зеркала или другие полированные поверхности.
 |
Рис. 23. Принципиальная схема лазера:
1 — активная среда; 2 — устройство накачки; 3 — резонансная система
По принципу действия и эффекту светового излучения лазер может быть отнесен к люминесцентным материалам. Известны различные виды люминесценции (свечения): тепловая (лампочка накаливания), холодная (фосфор и другие светящиеся материалы), природная (светлячок, гнилое дерево), химическая (активная реакция) и др. В полупроводниковых лазерах действует электрическая люминесценция — свечение происходит за счет электрической накачки.
Принцип действия квантовых приборов (лазеров) основан на использовании излучения атомов вещества под воздействием внешнего электромагнитного поля. Из квантовой механики известно, что движение электронов атома вокруг ядра характеризует энергетическое состояние электронов, иначе называемое энергетическим уровнем. При переходе электронов с одной орбиты на другую под воздействием внешнего электромагнитного поля меняется энергетический уровень и происходит излучение энергии.
В настоящее время применяются различные типы лазеров: полупроводниковые, твердотельные, газовые и др. Полупроводниковый лазер представляет собой полупроводниковый диод типа р-п, выполненный из активного материала, способного излучать световые кванты—фотоны. В качестве такого материала преимущественно используется арсенид галия с соответствующими добавками (теллура, алюминия, кремния, цинка). В зависимости от характера и количества присадок полупроводник имеет области электронной п (за счет теллура) и дырочной р (за счет цинка) проводимостей.
Под действием приложенного напряжения в полупроводнике происходит возбуждение носителей, в силу чего возникает излучение световой энергии и появляется поток фотонов. Этот поток, многократно отражаясь от зеркал, образующих резонансную систему, усиливается, что приводит к появлению лазерного луча с остронаправленной диаграммой излучения.
 |
Схематично полупроводниковый лазер показан на (рис. 24).
Рис. 24. Полупроводниковый лазер
Объем полупроводника примерно 1 мм3 . К нему подведены металлические электроды для подачи электрического напряжения. Роль отражающих зеркал выполняют плоскопараллельные отполированные торцевые грани полупроводника. Излучение происходит в слое р-п перехода толщиной 0,15...0,2 мкм.
Наряду с лазерами в качестве источника оптического излучения могут применяться светодиоды. Светодиод является таким же люминесцентным полупроводником типа р-п
из
29-04-2015, 04:02