Министерство РФ по связи и информатизации

ГОУ ВПО Сибирский Государственный Университет

Телекоммуникаций и Информатики Хабаровский филиал

Курс лекций по дисциплине «Физические основы передачи информации по ВОЛС»

Часть I

Учебное пособие

Хабаровск 2004г

УДК 621.316

В. И. Шеремет

Курс лекций по дисциплине «Физические основы передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи, часть I ХФ ГОУ ВПО СибГУТИ,2004г.

В учебном пособии часть I (курс лекций) рассматриваются геометрические и оптические параметры световодов, уделено внимание расчету потерь в соединителях оптических волокон наиболее внедряемых в настоящее время.

Кафедра МТС: Рассмотрено и утверждено Советом факультета. Протокол №8 от 19.05.04г.

Рецензент Кудашева Л.В.

ВВЕДЕНИЕ

Современная эпоха характеризуется стремительным прогрессом информатизации общества. Это сильней всего проявляется в росте пропускной способности и гибкости информационных сетей.

Прогресс в области электроники, оптических, квантовых и оптоэлектронных технологий позволяя резко повысить полосу пропускания и быстродействие оконечных устройств систем передачи (соответственно ~100ГГц и 80Гбит/с), а полоса пропускания среды передачи – современных оптических волокон и оптических кабелей на их основе составляет десятки терагерц. Благодаря этому объем передаваемой информации по одному волокну в современных волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) возрос до эквивалентной скорости в несколько Тбит/с. При этом дальность передачи без промежуточных пунктов регенерации сигналов увеличилась до нескольких сот километров и в перспективе достигнет тысяч километров.

Широкомасштабное использование волоконно-оптических линий связи началось примерно 25 лет назад, когда прогресс в технологии изготовления волокна позволил строить линии большой протяженности. Сейчас объемы внедрения ВОЛС значительно возросли. По всему миру прокладываются за год десятки тысяч километров волоконно-оптических кабелей под землей, по дну океанов, рек, на ЛЭП, в коллекторах. Множество компаний ведут интенсивные исследования в области волоконно-оптических технологий, таких как DWDM, волокон с ненулевой смещенной дисперсией, позволяющих значительно увеличить пропускную способность волоконно-оптических магистралей.

В предлагаемом учебном пособии, часть I рассмотрены вопросы, касающиеся оптических волокон: геометрические и оптические параметры световодов, дана общая картина распространения света по ОВ. В пособии использованы сведения из рекомендации Сектора Телекоммуникаций Международного Союза Электросвязи (МСЭ-Т) по стандартизации одномодовых волокон. Данное учебное пособие (конспект лекций), часть I составлено на основе лекций прочитанных в ХФ СибГУТИ ПО курсу «Физические основы передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи».

Преимущества и недостатки использования оптических волокон в системах связи

Передача информации по ВОЛС имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю. Стремительное внедрение в информационные сети оптических линий связи является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне.

Широкая полоса пропускания обусловлена очень высокой несущей Гц. Это дает возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания – одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медными или любой другой средой информации.

Низкие потери светового сигнала в волокне. Выпускаемая в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ/км на длине волокна 1,55 мкм. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяет строить участки линии без ретрансляции протяженностью более 100км.

Малый уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с небольшой избыточностью кода.

Высокая помехозащищенность. Так как волокно изготовлено из диэлектрического материала, то 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 проблем перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.

Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать земельных петель, которые могут возникнуть, когда два сетевых устройств неизолированной вычислительной сети, связанные 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.

Взрывопожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сетей связи на химических, нефтеперерабатывающих, взрывоопасных предприятиях.

Экономичность. Волокно изготавливается из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенная в природе и является в отличие от меди, недорогим материалом. В настоящее время стоимость оптического волокна и медной пары соотносится как 2:5.

Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию, это означает, что затухание в проложенном кабеле может возрастать. 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 приемно-передающей аппаратуры.

Удаленное электропитание. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля и используется только для передачи информации. Однако в некоторых случаях требуется подать электропитание на узел информационной волоконно-оптической сети. В этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медными проводниками, морские и трансокеанские линии без дистанционного электропитания построить невозможно.

Волоконно-оптические системы имеют также и недостатки, к которым в основном относятся дороговизна прецизионного монтажного оборудования, относительно высокая стоимость лазерных источников излучения и требования специальной защиты волокна. Для повышения надежности оптическое волокно при изготовлении покрывается лаком на основе эпоксиакрилата, а сам кабель упрочняется нитями на основе кевлара, стеклопластиковыми стержнями или стальным тросом. Преимущества от применения волоконно-оптических линий связи настолько значительно что, несмотря на недостатки, дальнейшие перспективы развития технологий ВОЛС в информационных сетях более чем очевидны.

1 СВЕТ

Свет представляет собой один из видов электромагнитной энергии. Электромагнитная энергия – энергия излучения, распространяющаяся в свободном пространстве со скоростью около .

Соотношение между скоростью ( ), длиной волны и частотой выражается .

В электронике принято говорить о частоте сигнала, в то время как в волоконной оптике чаще говорят о длине волны.

Электромагнитное излучение образует непрерывный частотный сектор, простирающийся к радиоволнам, микроволновому излучению, рентгеновским лучам и далее космическое излучение (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1

Свет представляет собой электромагнитное излучение с большой частотой и короткой длиной волны по сравнению с радиоволнами. Видимая область спектра составляет лишь малую часть всего светового диапазона. Она имеет длины волн в диапазоне от 380 нм (~790ТГц) темно-фиолетового до 750нм (~400ТГц) темно-красного. В настоящее время большинство волоконно - оптических систем используют инфракрасный свет с длинами волн между 800нм(375ТГц) и 1600нм (187,5ТГц) поскольку стекло является более прозрачным для инфракрасного излучения, чем для видимого света.