Виконаємо дослідження завадозахищеності безпошукового
advertisement
Оконечные устройства и линии абонентского участка информационной сети 7. Лекция: Оптоволоконные кабели Дается описание принципов передачи по оптоволконному кабелю. Виды электрооптических и оптоэлектрических преобразователей (светодиоды, светотранзисторы). Характеристики оптоволоконных кабелей и виды дисперсий. Оптоволоконные (волоконнооптические кабели) используются для передачи информации с помощью светового луча. Передача информации по волоконнооптическому кабелю имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю [7.19, 7.20]. Широкая полоса пропускания — по сравнению с электромагнитной средой. Одно волокно, работающее на длине волны 1300 или 1550 нм, потенциально имеет ширину полосы 20 ТГЦ ( ). Это дает возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации со скоростью несколько терабит в секунду. Это достаточно для размещения приблизительно 250 миллионов каналов со скоростью передачи 64 Кбит/с. Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,35 дБ/км на длине волны 1300 и 1500 нм. При допустимом затухании 20 дБ максимальное расстояние между усилителями или повторителями составляет около 100 км и более. Низкий уровень шумов в волоконнооптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи с использованием различной модуляции сигналов без защиты и контролировать правильность принятой информации только в оконечных терминалах. Это упрощает алгоритмы обработки и еще больше увеличивает реальную скорость передачи. Защищенность от электромагнитных помех. 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 затухания. Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели 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" во множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого кабеля будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля. Высокая безопасность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема/передачи. Более того, несанкционированные отводы (см. в разделе "Оптические соединители") в оптической системе реализуются более сложно, и требуют подключения с помощью сложного оборудования. Несанкционированные подключения в оптической сети проще обнаруживаются. Системы, отслеживающие качество распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации), имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Поэтому оптические системы со слежением за качеством сигнала 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. Оптоволоконные кабели не требуют заземления оболочки, защищающего от "блуждающих токов" и высоковольтных наводок по "земле", при которых может возникнуть большая разность потенциалов, что для электромагнитных кабелей может привести к повреждению сетевого оборудования. Пожаробезопасность. Изза отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска. Уменьшение требований к линейнокабельным сооружениям. Волоконно-оптические кабели освобождают переполненные кабельные трубопроводы. Как уже отмечалось выше, волоконнооптические кабели имеют меньший объем в расчете на одну и ту же пропускную способность, в связи с чем переполнение кабельных трубопроводов становится маловероятным, даже при интенсивном росте широкополосных услуг. Экономичность волоконнооптического кабеля. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре определяется как 2:5. При этом ВОК позволяет передавать сигналы на большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК. Современные системы передачи позволяют достигнуть дальности около 400 км [7.20] 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 волоконнооптического кабеля составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений стандартов приемо-передающих систем. Сроки старения оптических кабелей гораздо больше, чем сроки деградации электромагнитных кабельных сооружений. Принципы работы оптоволоконных кабелей Оптоволоконный кабель содержит [7.19, 7.20] три основных элемента (рис. 7.1): оплетка; оболочка; сердцевина. Рис. 7.1. Конструкция оптического волокна Сердцевина, волоконный светопроводящий элемент, окружен оболочкой, которая имеет меньший показатель преломления света. Это приводит к тому, что большинство световых лучей в сердцевине отражаются внутрь сердцевины (рис. 7.2). Попадет ли луч снова внутрь сердцевины, зависит от угла, под которым он пересекает границу "сердцевина-оболочка" (числовая апертура1)). Если луч входит под слишком острым углом к поверхности оболочки, то он поглощается. Поглощение может происходить при изменении в оболочке, например, при сгибах оптокабеля или при неправильном сращивании волокон. При построении сетей используются многожильные кабели. На рис. 7.3 показан пример кабеля с 8 волокнами. В центре расположен стальной трос для укрепления кабеля, а внешняя поверхность покрыта стальной оплеткой для защиты от грызунов и внешних силовых воздействий. Многомодовые волокна На рис. 7.2 показан принцип распространения лучей. В том числе видно, что при отражении луча под определенным углом возникает другой луч — "вторичная мода". Такие лучи могут быть использованы для организации второго пути переноса информации. Оптические волокна, в которых допускается прохождение лучей к приемнику многочисленными путями, называются многомодовыми. По сравнению с одномодовыми кабелями (диаметр сердцевины 8,5 или 9,5 мкм) многомодовые кабели имеют больший диаметр (50/62/5 мкм при диаметре оболочки 125 мкм). Больший диаметр сердцевины упрощает их изготовление. Рис. 7.2. Схема распространения лучей в многомодовом кабеле Рис. 7.3. Принцип размещения волокон в оптическом кабеле Многомодовая дисперсия Обратим внимание, что отраженный луч проходит больший путь, следовательно, прохождение информации несколько замедляется. Запаздывающие лучи приводят к расширению передаваемых импульсов. Величина этого расширения прямо пропорциональна ширине импульса и обратно пропорциональна скорости передачи. Следовательно, многомодовая дисперсия ограничивает пропускную способность оптического кабеля, которая характеризуется коэффициентом широкополосности (BDF — Bandwidth Distance Factor). Типовое значение BDF у многомодовых кабелей меняется от 200 до 800 МГц/км. Одномодовые волокна более широкополосные, их значение BDF равно от 50-100 ГГц/км [7.18]. Такой эффект наблюдается у так называемых волокон со ступенчатым показателем преломления. Это волокна, у которых на границе "оболочка-сердцевина" происходит скачок коэффициента преломления. Лучшие показатели BDF у волокна с плавным изменением, показателя преломления от максимального в центре к минимальному по краям. Таким образом, лучи, проходящие ближе к центру, будут распространяться с задержкой, по сравнению с лучами, проходящими по его краям. Поэтому скорости всех лучей выравниваются, и лучи прибывают к приемнику с одинаковой задержкой. Волокна с изменяющимся показателем преломления по указанному выше закону называются градиентными и имеют коэффициент широкополосности на два порядка больше, чем волокна со ступенчатым показателем. Затухание сигнала в оптическом волокне Затухание измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение или рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощения зависят от прозрачности материала, из которого изготовлено волокно. Потери на рассеяние зависят от неоднородности преломления материала. Затухание сигнала при определенной марке кабеля на единицу длины линии зависит от длины волны сигнала (рис. 7.4). В современных оптических волокнах самое низкое затухание наблюдается на двух длинах волны — 1300 и 1550 нм, так как в этих диапазонах самая большая прозрачность кварца, из которого делается волокно. На этих частотах, как можно увидеть из рисунка 7.4, затухание равно 0,35 и 0,2 дБ соответственно. Параметры затухания для различных марок оптических кабелей показаны в табл. 7.1 [7.22]. Рис. 7.4. Зависимость затухания в оптическом волокне от длины волны Таблица 7.1. Параметры оптического кабеля Погонное затухание дБ/км Тип оптического кабеля d/D мкм NA 850 нм 1350 нм 1550 нм Одномодовый 9,5/125 0,15 0,4 0,3 Многомодовый градиентный 50/125 0,2 2,5 0,7 62,50/125 0,275 3 1 80/125 0,28 3,5 1,5 100/140 0,4 5 Многомодоый ступенчатый 200/280 0,4 5 200/280 6 Примечание: d/D — отношение диаметра сердцевины к диаметру обо¬лочки, NA — числовая апертура Хроматическая дисперсия (Chromatic Dispersion) Хроматическая дисперсия [7.27] возникает в том случае, если световой сигнал состоит из волн разных длин. Хроматическая дисперсия — один из механизмов, лимитирующих полосу пропускания волоконнооптических кабелей, ухудшающих распространение импульсов сигнала, который состоит из различных цветов проходящего света (некогерентность сигнала). Различные длины волн распространяются с различной скоростью. Хотя большинство оптических источников имеют одинаковый диапазон светового луча, каждая волна с различной длиной прибывает за различное время, и поэтому оказывается, что передаваемый импульс размывается. Количественно дисперсия измеряется относительно скорости распространения волн с различной длиной, входящих в световой сигнал. Большая дисперсия означает, что волны распространяются с большой разницей по скорости. Низкая дисперсия указывает, что сигналы, смежные по длине волны, распространяются приблизительно с одинаковой скоростью. Упорядочение дисперсии состоит в том, чтобы снизить разницу распространения сигналов разной длины волны по всему диапазону. Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волновой составляющих и происходит при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне, ввиду отсутствия межмодовой дисперсии. Материальная составляющая отражает зависимость показателя преломления волокна от длины волны. В выражение для дисперсии одномодового волокна входит характеристика материала, а именно зависимости показателя от длины волны. где — дисперсия, выраженная в пикосекундах на км на нанометр (пс/км•нм); — дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны (или коэффициент дисперсии волокна) в пс/км; — спектр источника в нанометрах (нм); — длина кабеля. В выражение для дисперсии одномодового волокна входит показатель преломления материала, а именно — дифференциальная зависимость показателя от длины волны . Эта составляющая определяется скоростью (дифференциалом) возрастания или уменьшения показателя преломления в зависимости от длины волны. С увеличением длины волны этот показатель может быть положительным (коэффициент преломления возрастает) или отрицательным (коэффициент преломления убывает). Волновая дисперсия определяется временем распространения сигнала в зависимости от длины волны. Дифференциал такой функции всегда положительный (время распространения с увеличением длины волны только возрастает). где — дисперсия, выраженная в пикосекундах на км на нанометр (пс/км•нм); — дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны; — увеличение длины волны вследствие некогерентности источника в нанометрах; — длина кабеля. Итоговая удельная хроматическая дисперсия равна И здесь важным является то, что при определенной длине волны (примерно 1310 ± 10 нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация и ,а результирующая дисперсия обращается в нуль. Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии . Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться для данного конкретного волокна. Для борьбы с хроматической дисперсией можно рекомендовать следующие методы. 1. В качестве рабочей длины волны выбирать длину, при которой хроматическая дисперсия минимальна. 2. Выбирать источник с узким спектром. 3. Использовать для передачи сигналов узкие однополярные импульсы. 4. Применять оптическое волокно, компенсирующее дисперсию (волокно со смещенной или выровненной дисперсией). На рис. 7.5 приведены кривые, показывающие зависимости задержек для различных типов кабелей [7.23]. Как видно из рис. 7.5, длина волны нулевой дисперсии для многомодового градиентного и одномодового ступенчатого кабелей — 1300 нм и для одномодового со смещенной дисперсией — 1500 нм. В реальных кабелях вследствие производственных допусков типичные значения дисперсии порядка 1-3,5 пс/км•нм. увеличить изображение Рис. 7.5. Кривые временных задержек и удельных хроматических дисперсий Установлено, что при определенной форме сигнала (рис. 7.6) он имеет наименьшую дисперсию. Такие импульсы называются солитонами. Рис. 7.6. Форма импульса типа "солитон" Электрооптические преобразователи Имеется два типа приборов, преобразующих электрический сигнал в световой, — это светодиоды и лазерные диоды. Светодиоды (LED — Light-Emitting Diode) генерируют некогерентное излучение (сигнал содержит составляющие из нескольких длин волн). Характеристика светодиода показана на рис. 7.7 [7.18]. Область спектра генерируемого сигнала нм при длине волны основного сигнала 850 нм и 70 или 120 при длине волны основного сигнала 1300 нм. На рисунке максимальная мощность обозначена 1. Типовое значение возбуждаемой максимальной мощности для различных типов диодов различна и находится в пределах от 20 до 10 дБ. Рис. 7.7. Спектральная характеристика светодиода Таблица 7.2. Дисперсия оптических сигналов в различных оптических волокнах Удельная хроматическая дисперсия, Тип , межмодовая дисперсия, пс/км волокна (нм) пс/(нм•км) MMF 50/125 850 1310 1550 MMF 850 62,5/125 1310 1550 SF 8/125 1310 1550 DSF 8/125 1310 1550 1. 2. 414 1) 414 414 973 2) 973 973 0 0 0 0 99,6 3) 1,0 19,2 106,7 4) 4,2 17,3 < 1,8 5) 17,5 21,2 6) < 1,7 3. 4. 5. Некогерентность светодиодов ограничивает их применение. Самые главные достоинства светоизлучающих светодиодов — это: большой срок службы; меньший временной дрейф параметров; большая линейность и меньшая температурная зависимость излучаемой мощности; низкая стоимость и простота эксплуатации. Для светодиодов потери мощности при переходе в линию составляют 10 дБ. Кроме того, поскольку излучение — некогерентное, то есть оно происходит в некотором спектральном диапазоне, будет происходить дополнительное искажение передаваемого сигнала (расширение импульсов) за счет различий в распространении разных спектральных составляющих. Принцип излучения светодиодов позволяет модуляцию только по интенсивности излучения. Мощность излучения светодиодов может достигать нескольких десятков мкВт. При необходимости создать линию для передачи на большие расстояния применяют лазерные диоды, имеющие лучшую спектральную характеристику. Лазерный диод обеспечивает когерентное излучение, его луч обладает более узким спектром (рис. 7.8), по сравнению со светодиодом [7.18]. Принцип излучения лазерных диодов позволяет использовать модуляцию по параметрам световой волны, например частотную. Кроме того, они характеризуются максимальной для полупроводниковых излучателей мощностью [7.14] до нескольких сотен милливатт, минимальной шириной спектра и очень узкой направленностью. На рис. 7.8 видно, что как многомодовые, так и одномодовые лазерные диоды имеют значительно более узкий спектр, чем светодиоды, и это обеспечивает меньшую хроматическую дисперсию. Рис. 7.8. Характерные спектральные характеристики лазерных диодов: а) Многомодовые, б) Одномодовые Поскольку лазерные диоды отличаются более сложной конструкцией и большими электрическими нагрузками по сравнению со светодиодами, они уступают последним в надежности, удобстве эксплуатации и стоимости. Это определяет их применение для осуществления передачи на дальние расстояния в магистральных линиях. Характеристики светодиодов и лазерных диодов приведены в таблице 7.3 [7.14]. Таблица 7.3. Характеристики светодиодов и лазерных диодов Параметры светодиод Лазерные диоды Длина волны 850, 350 1350, 550 Выходная мощность 0,5-11,5 мВт 3-10 мВт Время нарастания 1-20 нс 1-2 нс Диапазон тока смещения 5-150 мА 100-500 мА Ширина спектра 50-120 нм 0,4-1,0 Оптоэлектрические преобразователи Фотодиоды Приемник излучения должен преобразовать оптический сигнал в электрический. Поскольку информационный сигнал содержится в модулированном световом потоке, этот поток должен быть принят как можно полнее и без искажений. Так как рабочая поверхность приемника намного больше сечения световода, потери при переходе излучения в приемник будут намного меньше, чем при переходе от источника в линию. Для приема излучения могут использоваться фотодиоды — полупроводниковые приборы на основе групп кремния и германия. В обычных фотодиодах формируется ток, зависящий от интенсивности падающего излучения, их отличают хорошая линейность и стабильность работы, малое время отклика, но они не обеспечивают усиление фототока. Фототранзисторы Эти полупроводниковые приборы также строятся на основе кремния и германия. Фототранзисторы имеют высокую чувствительность и хорошее усиление, но из-за большой барьерной емкости время отклика у них большое, то есть частотные характеристики хуже, чем у диодов. Граничная частота для лучших образцов достигает 200 МГц. PIN-фотодиоды В p-i-n (PIN) фотодиодах между слоями с разной проводимостью ( и ) вводится слой с собственной проводимостью (i-область), который при подаче обратного напряжения смещения обедняется свободными носителями. В результате поглощения света будут образовываться электроны-носители, которые будут ускорять сильное электрическое поле. PIN-фотодиоды обладают большей, чем фотодиоды, чувствительностью. Их барьерная емкость мала, за счет чего обеспечиваются хорошие частотные характеристики (граничная частота — до 1 ГГц). Для них требуется небольшое напряжение обратного смещения (менее 5В). Лавинные фотодиоды Лавинные фотодиоды обладают внутренним усилением и отличаются от p-i-n фотодиодов наличием еще одного дополнительного слоя. При высоких обратных напряжениях смещения (порядка 100 В) в них образуется сильное ускоряющее поле, в котором происходит лавинное размножение носителей, образующихся под влиянием света, то есть усиление фототока. Эти приборы характеризуются высокой чувствительностью, большим усилением и высоким быстродействием, однако их использование затруднено сложностью, высокой стоимостью, высокими рабочими напряжениями, необходимостью стабилизации напряжений и температур и работой только в режиме усиления слабого сигнала. Характеристики оптических приемников приведены в таблице 7.4. Таблица 7.4. Характеристики оптических приемников Параметры p-i-n Лавинный фотодиод Фототранзистор Чувствительность 0,5 мкa/мкВт 15 мкa/мкВт 35 мкa/мкВт Время нарастания 1 нс 2 нс 2 мкс Напряжение смещения 10 В 100 В 10 В Оптические соединители Одним из критических мест волоконных систем являются сращивание волокон и разъемы. Учитывая диаметр центральной части волокна, нетрудно предположить, к каким последствиям приведет смещение осей стыкуемых волокон даже на несколько микрон (особенно в одномодовом варианте, где диаметр центрального ядра менее 10 микрон) или деформация формы сечения волокон. Соединители для оптических волокон имеют обычно конструкцию, показанную на рис. 7.9, и изготовляются из керамики. Потеря света в соединителе составляет 0,2 дБ. Для сравнения: сварка волокон приводит к потерям не более 0,001-0,1дБ. Существует также техника механического сращивания волокон, которая характеризуется потерями около 10% (splice). Оптические аттенюаторы для оптимального согласования динамического диапазона2) оптического сигнала и интервала чувствительности входного устройства представляют собой тонкие металлические шайбы, которые увеличивают зазор между волокном кабеля и приемником. Рис. 7.9. Схема оптического разъема С использованием оптических волокон можно создавать не только кольцевые структуры. Возможно построение фрагмента сети, по характеру связей эквивалентного кабельному сегменту или хабу3). Схема такого фрагмента сети представлена на рис. 7.10 (пассивный хабконцентратор). Базовым элементом этой субсети является прозрачный цилиндр, на один из торцов которого подключаются выходные волокна всех передатчиков интерфейсов устройств, составляющих субсеть. Сигнал с другого торца через волокна поступает на вход фотоприемников интерфейсов. Таким образом, сигнал, переданный одним из интерфейсов, поступает на вход всех остальных интерфейсов, подключенных к этой субсети. При этом потери света составляют , где — потери в разъеме, — потери в пассивном разветвителе, а — число оптических каналов ( может достигать 64). Некоторые из них (например, ODL 200 AT&T) способны осуществлять переключение на обходной оптический путь (bypass) при отключении питания. Рис. 7.10. Схема пассивного оптоволоконного хаба Кросс Кросс, предназначенный для оптического кабеля, относится к кроссам высокой плотности, т.е. количество подключаемых пар на единицу площади превышает предыдущие системы (например, цифровые системы уплотнения). К такому кроссу предъявляются стандартные требования: учет специфики кроссирования оптоволоконного кабеля; надежность и управляемость кабельным хозяйством; удобство работы; безопасность для персонала. Высокая плотность и хрупкость (высокая вероятность повреждения в условиях эксплуатации) приводят к новым решениям. Еще одна особенность оптических кабелей состоит в специфике распространения света по волокну. При перегибе волокна больше защитного радиуса в 30 мм в нем возникает рассеяние оптической мощности, и затухание в кабеле значительно возрастает. Поэтому помимо бережной эксплуатации появляется еще одно требование — геометрического свойства: ни при каких обстоятельствах радиус перегиба не должен превышать критический. В соответствии с новыми нормами и стандартами безопасности OSHA (Occupational Safety and Health Administration — законы о технике безопасности и гигиене труда США) оптические кроссы должны обеспечивать максимальную защиту глаз оператора от возможного лазерного излучения при кроссировке кабелей. Особенно это важно для кроссов высокой плотности. Особенностью кроссов высокой плотности является принципиальная невозможность использования вертикальных или фронтальных методов доступа к кабелям. Фронтальные методы не обеспечивают в полной мере необходимую плотность кроссовых соединений и не столь безопасны для персонала. Вертикальный доступ неудобен при работе с отдельными волокнами. Волновое мультиплексирование (WDM) В последнее время заметного удешевления оптических каналов удалось достичь за счет мультиплексирования с делением по длине волны [7.4]. Волновое мультиплексирование (Wave Division Multiplexing, WDM) — это концепция объединения нескольких потоков данных по одному физическому волоконнооптическому кабелю. Такое увеличение емкости кабеля достигается исходя из фундаментального принципа физики. Он состоит в том, что лучи света с разными длинами волн не взаимодействуют между собой. Основная идея систем WDM состоит в использовании нескольких длин волн (или частот) для передачи отдельного потока данных на каждой из них. За счет этой техники удалось в 16-160 раз [7.14] увеличить широкополосность канала из расчета на одно волокно. Схема мультиплексирования показана на рис. 7.11. На входе канала сигналы с помощью призмы объединяются в одно общее волокно. На выходе с помощью аналогичной призмы эти сигналы разделяются. Число волокон на входе и выходе может достигать 32 и более (вместо призм в последнее время используются миниатюрные зеркала, где применяется развертка по длине волны). Рис. 7.11. Мультиплексирование с делением по длине волны в оптическом волокне Эта достигается с помощью нескольких компонент. Вопервых, передаваемые данные должны посылаться на определенной несущей длине волны. Обычно волновое мультиплексирование WDM осуществляется в окне прозрачности4) 1530-1560 нм, где обеспечивается минимальное затухание сигнала до 0,2 дБ/км. Как правило, волоконнооптические системы используют 3 длины волны — 850, 1310 и 1550 нм. Если входной сигнал является оптическим и передается на одной из этих длин волн, он должен быть преобразован для передачи с длиной волны окна прозрачности WDM. При наличии нескольких независимых входных сигналов каждый из них должен быть преобразован для передачи на своей длине волны в рамках этого диапазона. Затем эти сигналы объединяются с помощью оптической системы таким образом, что большая часть мощности всех сигналов передается по одному оптическому волокну. На другом конце линии световые сигналы разделяются с помощью сплиттера5) (еще одной системы линз) на несколько каналов. Каждый из этих каналов проходит через фильтры, отделяющие только одну из длин волн. В конце концов, каждая из отделенных длин волн попадает на свой приемник, который преобразует ее в исходный вид (оптический на длинах волн 850, 1310 и 1550 нм или медный). Существует два типа систем WDM, обеспечивающих грубое (CWDM) мультиплексирование с большим шагом разноса несущих или плотное (DWDM) разделение шкалы длин волн. Системы CWDM обычно обеспечивают передачу от 8 до 16 длин волн с шагом в 20 нм, от 1310 до 1630 нм. Системы DWDM работают с количеством длин волн до 144, обычно с шагом менее 2 нм примерно в том же диапазоне длин волн. WDM (CWDM или DWDM) обычно используется в одном из двух приложений. Первое и главное состоит в увеличении объема информации, передаваемого по оптическому волокну. В этом случае большое количество потоков данных передаются по небольшому количеству оптических кабелей. Это дает возможность значительно увеличить пропускную способность оптического кабеля. Так, при скорости 10 Гбит/с на канал общая пропускная способность каждого волокна составит 1,25 Тбит/с, (то есть 12 500 000 000 000 бит в секунду). Конечно, в большинстве случаев такой уровень скоростей не требуется, обычной задачей является передача нескольких потоков Gigabit Ethernet по одной паре волокон, когда дополнительных пар уже нет. Во многих случаях проложить новый оптический кабель оказывается слишком дорого или просто невозможно. Тогда использование технологии WDM становится единственной возможностью для увеличения пропускной способности. Второе приложение WDM появилось сравнительно недавно, когда все большее число заказчиков стали использовать высокоскоростные каналы связи. В этом случае оператор связи предоставляет заказчикам, имеющим офисы в разных точках города, длины волн в своем кабеле для организации каналов "точкаточка". Например, крупная компания, имеющая два здания в разных концах города, может поставить задачу их объединения. Для решения этой проблемы оператор может развернуть сеть. При использовании WDM оператору нет необходимости заботиться о том, какой протокол или технология используется заказчиками, что дает возможность более гибкого предоставления услуг. Использование WDM в сетях абонентского доступа будет рассмотрено в дальнейшем. Устройства для организации WDM пассивны, т.е. не требуют электропитания. Однако многие из них требуют постоянной температуры. Для этого устанавливаются устройства регулировки температуры, а им необходимо удаленное электропитание. Тогда используется смешанный кабель, который наряду с оптическими волокнами содержит медные жилы. Для обеспечения норм по затуханию при передаче информации по оптическим кабелям применяются регенераторы и усилители сигналов. При передаче одиночного оптического сигнала (см. рис. 7.12а) каждый регенератор преобразует оптический сигнал в электрический, корректирует временные параметры, выделяет передаваемую информацию и в результате управляет лазерным передатчиком для регенерации сигнала и последовательного ввода информации в оптический кабель для передачи ее по следующему участку. Рис. 7.12. Оптические системы передачи: а) с линейной регенерацией; б) DWDM составной сигнал с одним участком разделения по длине волны; в) DWDM составной сигнал с оптическим усилителем Преобразование оптического сигнала в электрический сигнал требует больших затрат, поскольку применяет очень дорогие компоненты (лазеры и сверхскоростную электронику). Схема, показанная на рис. 7.12б, передает составной WDM-сигнал. При этом на каждом регенераторном участке производится разбиение составного сигнала на отдельные сигналы. Далее производится индивидуальное преобразование в электрическую форму и индивидуальная регенерация. Более предпочтительно применение оптических усилителей, которые могут усиливать сигнал на всех длинах волн, составляющих WDM-сигнал. Оптический усилитель на оптоволконе, легированном эрбием (Erbium-Doped Fiber Amplifier — EDFA) — это отрезок оптоволокна типа EDF и полупроводниковый лазерный диод в качестве источника "накачки". Усилитель принимает ослабленный сигнал и генерирует мощный сигнал в оптический кабель, легированный эрбием. От воздействия мощного сигнала атомы эрбия возбуждаются и генерируют фотоны в той же самой фазе и направлении, что и посылаемый сигнал. В результате получается эффект усиления. Такие усилители могут быть спроектированы на все диапазоны длин волн. Применение усилителей снижает потребность в применении регенераторов, как это показано на рис. 7.12б. При этом имеется ограничение на количество последовательно устанавливаемых усилителей. Тем не менее установка усилителей позволяет увеличить расстояние между регенераторами и связанное с ними преобразование оптикаэлектроника до сотен и тысяч километров. Краткие итоги Передача информации по волоконнооптическому кабелю имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю: широкая полоса пропускания, малое затухание светового сигнала в волокне, низкий уровень шумов, защищенность от электромагнитных помех, малый вес и объем, высокая безопасность от несанкционированного доступа, гальваническая развязка элементов сети, пожаробезопасность, уменьшение требований к линейнокабельным сооружениям, экономичность, длительный срок эксплуатации. Оптоволоконный кабель содержит три основных элемента: оплетка, оболочка, сердцевина. Сердцевина - волоконный светопроводящий элемент окружен оболочкой, которая имеет меньший показатель преломления света. Это приводит к тому, что большинство световых лучей в сердцевине отражаются внутрь сердцевины. Максимальный угол, при котором для вводимого в волокно светового излучения обеспечивается полное внутреннее отражение, называется числовая апертура. При построении сетей могут использоваться многожильные кабели. Оптические волокна, в которых допускается прохождение лучей к приемнику многочисленными путями, называются многомодовыми. Запаздывающие лучи приводят к расширению передаваемых импульсов. Это явление называется дисперсией. Величина этого расширения прямо пропорциональна ширине импульса и обратно пропорциональна скорости передачи. Пропускная способность оптического кабеля, которая характеризуется коэффициентом широкополосности (BDF — Bandwidth Distance Factor). Волокна, у которых на границе "оболочка-сердцевина" происходит скачок коэффициента преломления, называются волокнами со ступенчатым показателем преломления. Волокна с изменяющимся показателем преломления по указанному выше закону называется градиентными и имеют коэффициент широкополосности на два порядка больше, чем ступенчатые волокна. Затухание измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение или рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощения зависят от прозрачности материала, из которого изготовлено волокно. Потери на рассеяние зависят от неоднородности преломления материала. Хроматическая дисперсия возникает в том случае, если световой сигнал состоит из волн разных длин. Хроматическая дисперсия — один из механизмов лимитирующих полосу пропускания волоконнооптических кабелей, ухудшающих распространение импульсов сигнала, который состоит из различных цветов проходящего света (некогерентность сигнала). Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и происходит при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Материальная составляющая отражает свойства зависимости показателя преломления волокна от длины волны. В выражение для дисперсии одномодового волокна входит характеристика материала, а именно — зависимости показателя от длины волны. Эта составляющая определяется скоростью (дифференциалом) возрастания или уменьшения показателя преломления в зависимости от длины волны. С увеличением длины волны этот показатель может быть положительным, (коэффициент преломления возрастает) или отрицательным (коэффициент преломления убывает). Волновая дисперсия определяется временем распространения сигнала в зависимости от длины волны. Она всегда положительная (время распространения с увеличением длины волны только возрастает). При определенной длине волны (примерно 1310 ± 10 нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация материальной и волновой дисперсий, а результирующая дисперсия обращается в нуль. Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии ?0. Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться ?0 для данного конкретного волокна. Установлено, что при определенной форме сигнала он имеет наименьшую дисперсию. Такие импульсы называются солитонами. Имеется два типа приборов, преобразующих электрический сигнал в световой — это светодиоды и лазерные диоды. Светодиоды (LED — Light-Emitting Diode) генерируют некогерентное излучение (сигнал содержит составляющие из нескольких длин волн). Принцип излучения светодиодов позволяет модуляцию только по интенсивности излучения. Мощность излучения светодиодов может достигать нескольких десятков мкВт. Лазерный диод обеспечивает когерентное излучение. Его луч обладает более узким спектром, по сравнению со светодиодом. Принцип излучение лазерных диодов позволяет использовать модуляцию по параметрам световой волны, например частотную. Лазерные диоды отличаются более сложной конструкцией и большими электрическими нагрузками по сравнению со светодиодами, но они уступают последним в надежности, удобстве эксплуатации и стоимости. В обычных фотодиодах формируется ток, зависящий от интенсивности падающего излучения, их отличают хорошая линейность и стабильность работы, малое время отклика, но они не обеспечивают усиление фототока. Фототранзисторы имеют высокую чувствительность и хорошее усиление, но из-за большой барьерной емкости время отклика у них большое, то есть частотные характеристики хуже, чем у диодов. p-i-n обладают большей чувствительностью, чем светодиоды. Их барьерная емкость мала, за счет чего обеспечиваются хорошие частотные характеристики (граничная частота — до 1 ГГц). Лавинные диоды характеризуются высокой чувствительностью, большим усилением и высоким быстродействием, однако их использование затруднено сложностью, высокой стоимостью, высокими рабочими напряжениями, необходимостью стабилизации напряжений и температур и работой только в режиме усиления слабого сигнала. Одними из критических мест волоконных систем являются сращивание волокон и разъемы. Потеря света в соединителе составляет 10-20%. Для сравнения: сварка волокон приводит к потерям не более 1-2%. Кросс, предназначенный для оптического кабеля, относится к кроссам высокой плотности, т.е. количество подключаемых пар на единицу площади превышает предыдущие системы (например, цифровые системы уплотнения). Волновое мультиплексирование (Wave Division Multiplexing — WDM) — это концепция объединения нескольких потоков данных по одному физическому волоконнооптическому кабелю. Такое увеличение емкости кабеля достигается исходя из фундаментального принципа физики. Он состоит в том, что лучи света с разными длинами волн не взаимодействуют между собой. Основная идея систем WDM состоит в использовании нескольких длин волн (или частот) для передачи отдельного потока данных на каждой из них. Существует два типа систем WDM, обеспечивающих грубое (CWDM) или плотное (DWDM) разделение шкалы длин волн. Системы CWDM обычно обеспечивают передачу от 8 до 16 длин волн с шагом в 20 нм, от 1310 до 1630 нм. Системы DWDM работают с количеством длин волн до 144, обычно с шагом менее 2 нм примерно в том же диапазоне длин волн. Главное приложение WDM-систем состоит в увеличении емкости оптического волокна. В этом случае большое количество потоков данных передаются по небольшому количеству оптических кабелей. Это дает возможность значительно увеличить пропускную способность оптического кабеля. Другое приложение — использование WDM в сетях абонентского доступа. Задачи и упражнения 1. Используя таблицу 7.1, определите максимально допустимую длину по затуханию оптической линии, которая может быть обслужена в соответствии параметрами оптического кабеля, указанными в таблице 7.2, и функционирует в следующих условиях: o одномодовый кабель 9,5/125, работающий на длине волны 1350 нм; o одномодовый кабель 9,5/125, работающий на длине волны 1550 нм; o многомодовый градиентный 50/125, работающий на длине волны 850 нм.; o многомодовый градиентный 50/125, работающий на длине волны 1350 нм; o многомодовый градиентный 100/140, работающий на длине волны 1350 нм; o многомодовый градиентный 200/280, работающий на длине волны 850 нм. Принимаем разность между допустимой выходной мощностью источника и входной мощностью, необходимой приемнику, при максимальном коэффициенте ошибок равной 42 дБ. 2. Определите максимально допустимую длину оптической линии по дисперсии, которая может быть обслужена в соответствии с параметрами оптического кабеля, указанными в тексте этой главы и приведенными повторно ниже. Примем при этом полосу пропускания равной 90 Мбит/c и коэффициент широкополосности (BDF — Bandwidth Distance Factor). 200 МГц/км 800 МГц/км 50 ГГц/км 100 ГГц/км Сравните с результатом предыдущей задачи. Какой из показателей больше ограничивает расстояние? 3. Определить коэффициент широкополосности (BDF) в оптоволоконной системе при следующих условиях: o длина волны 850 нм o ширина спектра светодиода 50 o дисперсия 3,5 пс-км (почти "нулевая" хроматическая дисперсия, с учетом допусков на изготовление) o максимально допустимая величина расширения Указания к решению задачи 2 Для решения используем приведенную в тексте формулу где — дисперсия, выраженная в пикосекундах на км на нанометр) (пс/км•нм); — дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны (или коэффициент дисперсии волокна) в пс/км-нм; — спектр источника в нанометрах (нм); — длина кабеля. Введем показатель "максимально допустимая величина расширения импульса" (она зависит от кода, применяемого для передачи сигналов): Подставляя выражение в предыдущую формулу, получаем или Учитывая, что где — ширина полосы пропускания, получаем формулу коэффициента широкополосности, по которой следует проводить вычисления: 4. Определить коэффициент широкополосности (BDF) в оптоволоконной системе при следующих условиях: o длина волны 1550 нм o ширина спектра светодиода 0,4 o дисперсия 3,5 пс/км-нм (почти "нулевая" хроматическая дисперсия, с учетом допусков на изготовление) o максимально допустимая величина расширения 5. Определить допустимую ширину спектра светодиода при следующих условиях: o длина волны 1550 нм o коэффициент широкополосности 500 Мбит o дисперсия 3,5 пс/км-нм (почти "нулевая" хроматическая дисперсия, с учетом допусков на изготовление) o максимально допустимая величина расширения Числовая апертура — максимальный угол, при котором для вводимого в волокно светового излучения обеспечивается полное внутреннее отражение. 2) Отношение максимального уровня сигнала, при котором еще не происходит перегрузка входных каскадов приемника к минимальному, определяемому порогом чувствительности (обычно выраженному в децибелах) 3) Многопортовое устройстов, которое обеспечивает возможность размножения сигнала на всех или части своих портов. 4) Окно прозрачности — область частот, находящаяся между двумя провалами, в которой обеспечиваются лучшие условия распространения радиоволн. 5) Сплиттер (разветвитель) — устройство, предназначенное для разделения сигнала на несколько частей. 1)
