9.1. Оптическое волокно как среда передачи

В глобальных цифровых сетях связи (ГСС), как и в ЛВС, для передачи сигнала используются раз­личные среды: эфир (в радиосистемах), медные провода (в ТФОП и ЛВС), медные кабели (в ТФОП и ЛВС), волоконно-оптические кабели (ВОК) (в ТФОП, ЛВС и ГСС). Из них в ГСС и ТФОП в последнее время все большее распространение получают ВОК. Это вызвано определен­ными преимуществами оптического кабеля, основные из них:

• широкая полоса пропускания, позволяющая передавать сигналы со скоростью до десятков Тбит/с и выше;

• низкий уровень потерь сигнала при распространении, позволяющий передавать сигналы без регенерации на расстояние порядка 200-300 км.;

• нечувствительность к электромагнитным помехам, позволяющая прокладывать ВОК в мес­ тах с высоким уровнем таких помех, в том числе использовать для этой цели ЛЭП и опоры для контактной силовой сети.

Другие преимущества, такие, как малые масса и размеры ВОК, его пожаробезопасность, а также значительная сложность перехвата передаваемых сообщений (на фоне снижения цен прак­тически до уровня цен на медные кабели) делают их использование еще более привлекательным.

Если учесть, что скорость передачи первого уровня иерархии SDH - технологии, пришедшей на смену PDH, составляет 155 Мбит/с, а также то, что сети SDH заменяют в настоящее время тысячи километров ТФОП, становится понятным, почему ВОК используется как единственная перспектив­ная среда передачи сигнала в транспортных синхронных цифровых сетях SDH.

9.1.1. Основные понятия, важные при использовании оптического волокна

9.1.1.1. Физические понятия

В отличие от медного провода переносчиком сигнала в ОВ является не электрический ток, а све­товой луч, распространиение которого в прозрачной среде ОВ как луча (или волны) должно под­чиняться законам оптики. Законы оптики различны в зависимости от того, в каких рамках спра­ведливости: линейной или нелинейной оптики - они рассматриваются. Свет, в соответствии с кор-пускулярно-волновым дуализмом, может рассматриваться как волна, тогда к нему применимы за­коны линейной и нелинейной оптики, или как поток частиц - фотонов [167], который имеет квантовую природу: может рождаться, поглощаться, превращаться в другие частицы, подчиняясь законам квантовой механики (значит, к свету в этом случае должны применяться законы кванто­вой оптики).

Для понимания особенностей распространения света в рамках линейной волновой оптики достаточно вспомнить законы: прямолинейного распространения света, независимости световых пучков, преломления и отражения света на границе раздела сред и законы поглощения [167].

Для прозрачной среды процесс распространения света неотделим от процесса взаимодей­ствия луча со средой, если учесть, что свет не просто луч, а электромагнитное излучение опреде­ленной длины волны, взаимодействующее со средой в процессе распространения. Его поведение подчиняется законам электромагнитного взаимодействия и описывается волновыми функциями, являющимися решениями системы уравнений Максвелла. Придется вспомнить такие понятия, как поляризация, мода колебаний, двойное лучепреломление, затухание, вызванное рассеянием и по­глощением, дисперсия и др., которые могут быть рассмотрены как в рамках линейной, так и нели­нейной волновой оптики.

Наконец, свет - это поток фотонов (частиц или корпускул), взаимодействие которых со средой, как отмечалось, подчиняется законам квантовой оптики. Для понимания особенностей взаимодействия в этом случае нужно иметь в виду, что источником излучения в аппаратуре син­хронных цифровых сетей является лазер, интенсивность излучения которого значительно выше интенсивности обычных источников света, что приводит к необходимости учета не только кван-

товых, но и нелинейных эффектов [175]. Достаточно вспомнить такие нелинейные эффекты, как: нелинейное преломление, фазовую самомодуляцию, фазовую кросс-модуляцию, вынужденное не­упругое рассеяние и некоторые другие [168], чтобы понять, насколько усложнится анализ таких систем на физическом уровне.

Указанное выше требует в целом довольно серьезных знаний, которыми располагают далеко не все читатели, занимающиеся построением волоконно-оптических систем передачи (ВОСП). По­ложение усугубляется еще и тем, что в ряде доступных изданий и журнальных публикаций авторы довольно свободно используют не совсем привычную или же непонятную "оптическую" терминоло­гию [33, 169, 176, 177]. Чтобы как-то облегчить восприятие этого нового для связистов "жаргона" автор попытался, не вдаваясь глубоко в подробности описания указанных законов и эффектов, "на пальцах" (в меру своего понимания) кратко пояснить, что и как, на чем они основаны и чем обуслов­лены основные свойства волокон, важные для систем связи.

9.1.1.2. Другие важные особенности

Оптическое волокно в простейшем случае состоит из сердцевины и оболочки. Они имеют разные (хотя и близкие по величине) в простейшем случае ступенчато изменяющиеся показатели прелом­ления, например п_с и п_о6, соответственно. Сердцевина при этом используется как собственно сре­да передачи, а оболочка используется для создания границы раздела между ней и сердцевиной, как между двумя физическими средами. Эта граница формирует физический канал волноводного типа - световод, по которому и распространяется световой луч - переносчик передаваемого ин­формационного сигнала.

Оптическое волокно может быть пластмассовым и стеклянным [170], однако в настоящее время используется, как правило, волокно, изготовленное из кварцевого стекла (SiO₂), имеющее по сравнению с другими стеклами меньшее затухание.

В связи с возможной путаницей понятий приведем пару определений понятия "стекло". По определению Комиссии по терминологии бывшей АН СССР: "Стеклами называются все рентге-ноаморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава ... обладающие, в результате по­степенного увеличения вязкости, механическими свойствами твердых тел, причем процесс пере­хода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым". В учебнике [178] это оп­ределение формулируется так: "Стекло - это квазиравновесная, изотропная, структурно-неупорядоченная система, обладающая механическими свойствами твердых тел, например упру­гостью формы. Среда, в которой могут распространяться продольные и поперечные упругие вол­ны". Важным для нас в этих определениях является подчеркивание фактов изотропности и от­сутствия кристаллической структуры, а также возможности распространения продольных и поперечных упругих волн.

Изготовление волокна происходит в два этапа [168]:

• изготовление цилиндрической заготовки с заданным профилем показателя преломления, на­ пример, методом химического осаждения из газовой фазы;

• вытягивание заготовки в волокно с сохранением соотношения диаметров сердцевины и обо­ лочки.