Назначение и область применения
Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) предназначены для передачи информации в оптическом (световом) диапазоне волн в специальной среде (оптическом волокне). Любой оптический канал связи состоит из двух основных компонентов - волокна и трансивера. Трансивер - приемопередающее устройство, которое преобразует электрические сигналы в оптические для передачи по оптоволокну. Волокно представляет среду для передачи сигнала от одного трансивера к другому.
Первые экспериментальные ВОЛС были проложены в 1970-х. Спустя 10 лет технология получила широкое признание, и телекоммуникационные сети начали внедрять ее повсеместно. С тех пор качество волокон и лазеров постоянно улучшается, а скорость пересылки данных неизменно растет. Сегодня ВОЛС — основа телекоммуникационной индустрии. Именно оптические волокна обеспечивают высокую пропускную способность, надежность и передачу данных на огромные расстояния. Интернет, телефония, кабельное телевидение и множество сетей связи по всему миру — все работают благодаря этой технологии.
Принцип передачи по ВОЛС
Любой оптический канал связи состоит из двух основных компонентов - волокна и трансивера. Трансивер (передатчик/приемник) - приемопередающее устройство, которое преобразует электрические сигналы в оптические для передачи по оптоволокну. Волокно представляет среду для передачи сигнала от одного трансивера к другому.
Преимущества и недостатки ВОЛС
Основные преимущества ВОЛС:
- Передача большого объема данных с высокой скоростью (обеспечивает широкая полоса пропускания);
- Передача данных на большие расстояния без использования ретрансляции;
- Не восприимчивость к электро-магнитным помехам;
- Пожарная безопасность;
- Защищенность данных;
- Длительный срок службы;
- Малый вес и объем.
Недостатки:
- Высокая стоимость;
- Использование специального оборудования;
- Необходимость привлечения квалифицированных специалистов;
- Хрупкость волоконно-оптического кабеля.
Структура оптического кабеля
Сердечник (обычно из стекла, реже - пластик) используется для передачи светового сигнала – 9 или 50/62,5 мкм.
Внешний диаметр отражающей оболочки - 125±2 мкм.
Понятие модовости
Мода — это теоретический путь, по которому свет движется в оптоволокне. Внутри оптоволоконного кабеля световой сигнал может распространяться различными путями: как прямо, так и зигзагообразно, отражаясь от стенок волокна. Из-за этого расстояния, которые проходят отдельные фотоны, оказываются неодинаковыми. Зигзагообразное движение света приводит ослаблению сигнала т.к. при каждом отражении часть энергии теряется, рассеиваясь в оболочке.
Типы оптических волокон
Волокна делят на две большие категории: Single Mode и Multi Mode. Принципиальная разница между ними — в диаметре сердцевины и использовании разных длин волн света. В SM он составляет около 7−9 мкм, в MM 50−62.5 мкм. Длина волны, применяемой для SM 1310−1550 нм, а для MM 850−1300 нм.
Многомодовое волокно дешевле в использовании, предъявляет меньшие требования к оборудованию, но имеет большие потери сигнала в сравнении с SM. Данный тип волокна часто применяют для прокладки соединений внутри одного здания.
Одномодовое волокно обладает большим потенциалом в скорости обмена данными, имеет намного меньшие потери сигнала, отлично подходит для передачи на большие расстояния (до сотни километров). При этом для работы требуется дорогостоящее оборудование, что приводит к повышению эксплуатационных расходов.
Многомодовая передача
У многомодового волокна диаметр сердечника (обычно 50 или 62,5 мкм) почти на два порядка больше, чем длина световой волны. Это означает, что свет может распространяться в волокне по нескольким независимым путям (модам). И так как разные моды имеют разную длину, то сигнал на приемнике будет заметно «размыт» по времени.
- Используемая длина волны - 850 нм или 1310 нм.
- Потери:
850 нм – около 3 дБ/км
1310нм – около 1 дБ/км
Одномодовая передача
Одномодовое волокно проектируется так, что в нем может распространяться только одна мода (диаметр сердечника обычно 9 мкм, что сопоставимо с длиной используемой волны 1,3; 1,5 мкм). Применяется для передачи сигналов на большие расстояния.
- Используемая длина волны - 1310 нм или 1550 нм.
- Потери:
1310 нм – около 0.4 дБ/км
1550 нм – около 0.2 дБ/км
Типы оптических потерь в кабеле
Часть потерь вызвана несовершенством технологии производства оптических кабелей.
Геометрия волокна – потери вызваны неоднородностью волокна и покрытия;
Микроизгибы - потери вызваны недостаточной точностью изготовления волокна;
Рэлеевское рассеивание - часть потерь вызвана рассеянием и поглощением. Причина снижения мощности выход части светового потока из волновода по причине неоднородности показателя преломления материалов, с уменьшением длины волны потери возрастают;
Потери на поглощение – связаны с преобразованием одного вида энергии в другой. Процесс поглощения волны тем меньше, чем меньше её длина и чем чище материал волокна.
Окна прозрачности оптических волокон
Экспериментально было обнаружено, что световые волны одной длины затухают меньше, чем другие. Лучших показателей общего затухания можно достичь на пересечении кривых поглощения и рассеивания.
На этом основании для оптоволокна была создана таблица «окон прозрачности», которая выделяет три базовых диапазона длин волн с минимальным затуханием: 850, 1 350 и 1 550 нм.
Расчет оптических потерь
| Каждый компонент оптоволоконной линии имеет свою величину оптических потерь. Допустимые потери оптического сигнала на всем пути от передатчика до приёмника часто называют оптическим бюджетом. Если суммарные потери превосходят "оптический бюджет", передача сигнала становится невозможной. |  |
|---|---|
| Пример расчета оптических потерь на расстояние 1,5 км по многомодовому кабелю. Рекомендуется учитывать падение мощности лазера от времени эксплуатации, значение может составлять -2.0 …-3.0 дБ. |  |
