Волоконная оптика и ее применение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При воздействии длительных механических нагрузок свободная та трубка обеспечивает более стабильные параметры передачи. Конструкция плотного буфера проста и представляет собой гибкий и устойчивый к разрушению кабель.

Выбор физических параметров

Применяя свободный  или плотный буфер, системный  разработчик делает выбор между  потерями при микроизгибах и гибкостью  кабеля. 

Для установки кабеля большое значение имеют механические свойства, такие как предел прочности, ударопрочность, гибкость. Требования к климатическим условиям — это устойчивость к воздействию влаги, химических веществ и ряду других атмосферных и внешних условий.

 

Таблица 3. Сравнительные  характеристики укрепляющих элементов
Укрепляющие элементы	Разрушающая нагрузка, фунты	Диаметр, дюймы	Удлинение, %	Вес1000 футов, фунты
FGE	480	.045	3.5	1.4
Сталь	480	.062	0.7	7.5
Арамид	944	.093	2.4	1.8

 

 

Механическая защита

Стандартная нагрузка кабеля, возникающая при установке, может  в конечном итоге привести волокно  в напряженное состояние. Напряжение может вызвать потери при микроизгибах, что в свою очередь приводит к увеличению коэффициента затухания. Для того чтобы перераспределить нагрузочные напряжения, упростить установку и увеличить срок эксплуатации, в конструкцию оптического кабеля добавляют различного рода внутренние укрепляющие элементы. Такие элементы обеспечивают нагрузочные напряжения, присущие электронному кабелю, и освобождают волокно от давления, сводя до минимума эффект вытягивания и сжатия кабеля. В некоторых случаях такие элементы действуют как термоизоляторы.

Укрепляющие элементы, которые, как правило, используются в оптоволоконном кабеле, включают в себя арамидную  пряжу, стекловолоконный эпоксидный стержень (FGE) и стальной провод. Намотанная виток  к витку арамидная пряжа оказывается в 5 раз прочнее стали. Вместе со стекловолоконным эпоксидным стержнем пряжа является обязательным компонентом при создании диэлектрика.

 Для эксплуатации при чрезвычайно низких температурах выбирают сталь и FGE, так как эти материалы более устойчивы к колебаниям температур.

 

Основные составляющие элементы оптоволокна

 

Строение оптоволокна

- стержень: зона прохождения света через волокно (стекло или пластик). Чем больше диаметр стержня, тем больший пучок светового излучения передается по волокну.

- оболочка: обеспечивает достаточно низкий показатель преломления на поверхности стержня, чтобы вызвать эффект полного внутреннего отражения в сердечнике для передачи световых волн через волокно.

- покрытие: представляет собой многослойную пластмассовую оболочку, предназначенную для защиты волокна от ударов и других внешних воздействий. Такие буферные покрытия имеют толщину от 250 до 900 мкм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Диаметр волокна

Размеры стекловолокна  обычно характеризуются внешним  диаметром сердечника, оболочки и покрытия. Например: 50/125/250 указывает, что у оптоволокна диаметр сердечника — 50 микрон, оболочки — 125 микрон и покрытия — 250 микрон. Для сравнения — лист бумаги по толщине приблизительно равен 25 микронам. При подключении или соединении волокон покрытие всегда удаляется.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 ВОК. 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.

 

Есть в волоконной технологии и свои недостатки

 

При создании линии связи  требуются активные высоконадежные элементы, преобразующие электрические  сигналы в свет и свет в электрические  сигналы. Необходимы также оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими  потерями и большим ресурсом на подключение-отключение.

Точность изготовления таких элементов линии должна соответствовать длине волны  излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому  производство таких компонентов  оптических линий связи очень  дорогостоящее.

Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется дорогостоящее технологическое оборудование:

а) инструменты для  оконцовки;

б) коннекторы;

в) тестеры;

г) муфты и спайс- кассеты.

Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.

 

Оптическое  волокно и его виды

 

Промышленность многих стран освоила выпуск широкой  номенклатуры изделий и компонентов  оптоволокна. Следует заметить, что  производство компонентов отличает высокая степень концентрации.

Большинство предприятий  сосредоточено в США. Обладая  главными патентами, американские фирмы (в первую очередь это относится  к фирме "CORNING GLASS") оказывают  влияние на производство и рынок  компонентов во всем мире, благодаря  заключению лицензионных соглашений с другими фирмами и созданию совместных предприятий.

Для передачи сигналов применяются  два вида волокна: одномодовое SMF (single mode fiber) и многомодовое MMF (multi mode fiber). Свое название волокна получили от способа распространения излучения в них. Волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления. В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10 мкм, то есть сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода, как ее называют).

Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые одномодовые волокна (step index single mode fiber) или стандартные волокна SF (standard fiber), на волокна со смещенной дисперсией DSF (dispersion-shifted single mode fiber), и на волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (non-zero dispersion-shifted single mode fiber).

 Одномодовое волокно

Согласно законам физики, при достаточно малом диаметре волокна  и соответствующей длине волны  через световод будет распространяться единственный луч. Вообще сам факт подбора диаметра сердечника под одномодовый режим распространения сигнала говорит о частности каждого отдельного варианта конструкции световода. Т.е. при употреблении понятий много- и одномодовости следует понимать характеристики волокна относительно конкретной частоты используемой волны. Распространение лишь одного луча позволяет избавиться от межмодовой дисперсии. Как уже отмечалась именно эта дисперсия имеет наибольшее влияние на пропускную способность канала. Величины материальной и межчастотной дисперсии на порядки меньше межмодовой. Однако одномодовое волокно исключает возможность распространения нескольких лучей, поэтому межмодовая дисперсия отсутствует, в связи с чем одномодовые световоды на порядки производительнее. На данный момент применяется сердечник с внешним диаметром около 8 микрон. Как и в случае с многомодовыми световодами, используется и ступенчатая и градиентная плотность распределения материала. Второй вариант более производительный. Одномодовая технология более тонкая, дорогая и применяется в настоящее время в телекоммуникациях, многомодовые же кабели завоевали свою нишу в локальных компьютерных сетях.

Многомодовое ступенчатое  волокно

Основное различие между  вариантами оптического волокна состоит в свойствах применяемого в них сердечника. Самый простой вариант сердечника - это кварцевое стекло с равномерной плотностью. Если отобразить плотности распределения слоев волокна, то получится ступенчатая картина, что и отображено в названии этого типа волокна. При достаточно большом радиусе равномерно плотного световода наблюдается эффект межмодовой дисперсии. Ее влияние на производительность оптического канала оказывается много больше межчастотной и материальной. Поэтому при расчете пропускной способности канала пользуются именно ее показателями. В настоящее время используют три стандартных диаметра сердечника многомодового волокна: 100 микрон, 62.5 микрон и 50 микрон. Наиболее распространены световоды диаметром 62.5 микрон, однако постепенно все более прочные позиции завоевывает сердечник 50 микрон. Вследствие простых геометрических законов распространения света несложно убедиться в его большей пропускной способности, поскольку он пропускает меньшее количество мод, тем самым уменьшая дисперсию импульса на выходе. Размер световодов выбран не случайно. Он непосредственно связан с используемой частотой световой волны. На данный момент выделяют три основных длины волны: 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Почему выбраны именно эти длины волн, мы поясним позже. Многомодовые ступенчатые волокна обладают малой пропускной способностью относительно действительных возможностей света, в связи с этим чаще в многомодовой технологии используют градиентные волокна.