Оптические и волоконные материалы, волоконно-оптическая связь

     В многомодовом волокне размер световодной  жилы порядка 50-60 мкм, что делает возможным  распространение большого числа  лучей (много мод).

     Оба типа волокна характеризуются двумя  важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией.

     Затухание определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в  оптическом волокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, потери на рассеяние зависят от неоднородностей  показателя преломления материала. Затухание зависит от длины волны излучения, вводимого в волокно. В настоящее время передачу сигналов по волокну осуществляют в трех диапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность.

     Другой  важнейший параметр оптического  волокна - дисперсия. Дисперсия - это  рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического  сигнала. Существуют три типа дисперсии: модовая, материальная и волноводная.

     Модовая дисперсия - присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно

     Материальная  дисперсия - обусловлена зависимостью показателя преломления от длины  волны.

     Волноводная дисперсия - обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны. Поскольку светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространению по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке пользуются термином "полоса пропускания" - это величина, обратная к величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в МГц*км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.

     Если  при распространении света по многомодовому волокну, как правило, преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну присущи  только два последних типа дисперсии.

     Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны.

     Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч. Однако, одномодовые  источники излучения в несколько  раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой же причине одномодывое волокна сложно сращивать с малыми потерями. Оконцевание одномодовых кабелей оптическими разъемами также обходится дороже.

     Многомодовые  волокна более удобны при монтаже, так как в них размер световодной  жилы в несколько раз больше, чем  в одномодовых волокнах.

     Многомодовый  кабель проще оконцевать оптическими  разъемами с малыми потерями. На многомодовое волокно расчитаны  излучатели на длину волны 0.85 мкм - самые доступные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Полоса пропускания у многомодовых волокон достигает 800 МГц*км, что приемлемо для локальных сетей связи, но не достаточно для магистральных линий. 

     6. Волоконно-оптический  кабель 

     Вторым  важнейшим компонентом, определяющим надежность и долговечность является волоконно-оптический кабель (ВОК). 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:

     монтажные

     станционные

     зоновые

     магистральные.

     Первые  два типа кабелей предназначены  для прокладки внутри зданий и  сооружений. Они компактны, легки  и, как правило, имеют небольшую строительную длину. Кабели последних двух типов 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.

     При изготовлении ВОК в основном используются два подхода:

     конструкции со свободным перемещением элементов

     конструкции с жесткой связью между элементами.

     По  видам конструкций различают  кабели повивной скрутки, пучковой скрутки, с профильным сердечником, ленточные кабели. Существуют многочисленные комбинации конструкций ВОК, которые в Сочетании с большим ассортиментом применяемых материалов позволяют выбрать исполнение кабеля, наилучшим образом удовлетворяющее всем условиям проекта, в том числе – стоимостным.

     Отдельно  рассмотрим способы сращивания строительных длин кабелей

     Сращивание  строительных длин оптических кабелей  производится с использованием кабельных  муфт специальной конструкции. Эти  муфты имеют два или более кабельных ввода, приспособления для крепления силовых элементов кабелей и одну или несколько сплайс-пластин. Сплайс-пластина - это конструкция для укладки и закрепления сращиваемых волокон разных кабелей.

     После того, как оптический кабель проложен, необходимо соединить его с приемо-передающей аппаратурой. Сделать это можно с помощью оптических коннекторов (соединителей). В системах связи используются коннекторы многих видов.

              7. Электронные компоненты систем оптической связи 

     Теперь давайте коснемся проблемы передачи и приема оптических сигналов. Первое поколение передатчиков сигналов по оптическому волокну было внедрено в 1975 году. Основу передатчика составлял светоизлучающий диод, работающий на длине волны 0.85 мкм в многомодовом режиме.

     В течение последующих трех лет  появилось второе поколение –  одномодовые передатчики, работающие на длине волны 1.3 мкм.

     В 1982 году родилось третье поколение  передатчиков - диодные лазеры, работающие на длине волны 1.55 мкм. Исследования продолжались, и вот появилось четвертое поколение оптических передатчиков, давшее начало когерентным системам связи - то есть системам, в которых информация передается модуляцией частоты или фазы излучения. Такие системы связи обеспечивают гораздо большую дальность распространения сигналов по оптическому волокну. Специалисты фирмы NTT построили безрегенераторную когерентную волоконно-оптическую линию связи STM-16 на скорость передачи 2.48832 Гбит/с протяженностью в 300 км, а в лабораториях NTT в начале 1990 года ученые впервые создали систему связи с применением оптических усилителей на скорость 2.5 Гбит/с на расстояние 2223 км.

     Появление оптических усилителей на основе световодов способных усиливать проходящие по световоду сигналы, дало начало пятому поколению систем оптической связи. В настоящее время быстрыми темпами развиваются системы дальней оптической связи на расстояния в тысячи километров. Успешно эксплуатируются трансатлантические линии связи США-Европа ТАТ-8 и ТАТ-9,Тихоокеанская линия США-Гавайские острова-Япония ТРС-3. Ведутся работы по завершению строительства глобального оптического кольца связи Япония – Сингапур – Индия - Саудовская Аравия-Египет-Италия.

     В последние годы наряду с когерентными системами связи развивается  альтернативное направление: солитоновые системы связи. Солитон - это световой импульс с необычными свойствами: он сохраняет свою форму и теоретически может распространяться по "идеальному" световоду бесконечно далеко. Солитоны являются идеальными световыми импульсами для связи. Длительность солитона составляет примерно 10 трилионных долей секунды (10 пс). Солитоновые системы, в которых отдельный бит информации кодируется наличием или отсутствием солитона, могут иметь пропускную способность не менее 5 Гбит/с на расстоянии 10 000 км. Такую систему связи предполагается использовать на уже построенной трансатлантической линии ТАТ-8. Для этого придется поднять подводный ВОК, демонтировать все регенераторы и срастить все волокна напрямую. В результате на подводной магистрали не будет ни одного промежуточного регенератора. 

      8. Лазерные модули  для ВОЛС 

     Лазерные  модули серии LFO изготавливаются на основе высокоэффективных MQW лазерных диодов и выпускаются в стандартных  неохлаждаемых коаксиальных корпусах с одномодовым или многомодовым оптическим волокном. Отдельные модели, наряду с неохлаждаемым исполнением, могут выпускаться со встроенным микрохолодильником и терморезистором.

     Все модули имеют широкий диапазон рабочих  температур, высокую стабильность мощности излучения, ресурс работы более 500 тыс. часов и являются лучшими источниками излучения для цифровых (до 622 Мбит/с) оптических линий связи, оптических тестеров и оптических телефонов.

                             9. Фотоприемные модули для ВОЛС 

     Фотоприемные  модули серии PD-1375 для спектрального  диапазона 1100-1650 нм изготавливаются на основе фотодиодов и выпускаются в неохлаждаемом исполнении с одномодовым (модельPD-1375s-ip), либо многомодовым (модель PD-1375m-ip), оптическим волокном , а также в корпусе типа "оптическая розетка" для стыковки с SM и MM волокнами, оконцованными разъемом типа"FC/PC" (модель PD-1375-ir).Модули имеют широкий диапазон рабочих температур, высокую спектральную чувствительность, низкие темновые токи и предназначены для работы в аналоговых и цифровых волоконно-оптических линиях связи со скоростью передачи информации до 622 Мбит/сек. 

      10. Применение ВОЛС  в вычислительных  сетях 

     Наряду  со строительством глобальных сетей  связи оптическое волокно широко используется при создании локальных  вычислительных сетей (ЛВС).

     Фирма "ВИМКОМ ОПТИК", занимаясь автоматизацией и электронными технологиями, разрабатывает и устанавливает локальные и магистральные сети с применением оптических линий связи. Фирма "ВИМКОМ ОПТИК" делает это по трем причинам. Во-первых, это выгодно. При установке протяженных сегментов сети не требуются повторители. Во-вторых, это надежно. В оптических линиях связи очень низкий уровень шумов. В-третьих, это перспективно. Волоконно-оптические линии связи позволяют наращивать вычислительные возможности сети без замены кабельных коммуникаций. Для этого нужно просто установить более быстродействующие передатчики и приемники. Это важно для тех пользователей, кто ориентируется на развитие своей ЛВС.

     Кабель  для связи сегментов сети стоит  недорого, но работы по его прокладке  могут составить самую крупную статью расходов по установке сети. Потребуется труд не только техников-кабельщиков, но и целой команды строителей (штукатуров, маляров, электриков), что обойдется недешево, если учесть возрастающую стоимость ручного труда.

     Схема ВОЛС, применяемых, в частности, в ЛВС, устроена следующим образом:

     Электрический сигнал идет от сетевого контроллера, устанавливаемого в рабочую станцию  или сервер (например, сетевой контроллер Ethernet), затем поступает на электрический  вход трансивера (например, оптический трансиверISOLAN 3Com), который преобразует электрический сигнал в оптический. Оптический кабель (например, ОКГ-50-2) присоединяется к оптическим разъемам трансивера с помощью оптических соединителей.

                                               Заключение 

     Итак, мы привили массу положительных  черт оптического волокна. При этом мы указали и на недостатки, связанные  с дорогостоящим процессом производства. Но, на мой взгляд, вложенные средства и усилия будут оправданы сполна и так считаю не только я. Приведу примеры применения оптоволокна отличающиеся от ранее приведенных.

     Оптоволокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый  размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, дает оптоволоконным датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определенных областях.

     Оптоволокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы  системы с гидрофонами, в которых  на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптоволокном.