Лекция 13 Общие принципы построения волоконно-оптических систем передачи Краткий исторический очерк

Основным направлением развития телекоммуникационных сис­тем является широкое применение волоконно-оптических систем передачи (ВОСП), под которыми понимается совокупность актив­ных и пассивных устройств, предназначенных для передачи со­общений на расстояния по оптическим волокнам (ОВ) с помощью оптических волн и сигналов. Другими словами, ВОСП - это сово­купность оптических устройств и оптических линий передачи, обеспечивающая формирование, обработку и передачу оптиче­ских сигналов. Физической средой распространения оптических сигналов являются волоконно-оптические или, просто, оптические кабели и создаваемые на их основе волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Совокупность ВОСП и ВОЛС образует волоконно-оптическую линию передачи (ВОЛП). Без широкого использования ВОЛС невозможно развитие телекоммуникационных технологий в области телефонной и телеграфной связи, кабельного телевиде­ния и факсимильной связи, передачи данных, создания единой цифровой сети с интеграцией служб - СЦИО (Integrated Services Digital Network - ISDN), внедрения на телекоммуникационных сетях технологии асинхронного способа передачи (Asynchronous Transfer Mode - ATM) и построения транспортных сетей на основе синхрон­ной цифровой иерархии - СЦИ (Synchronous Digital Hierarchy -SDH). Область применения ВОСП не ограничивается передачей любых видов сообщений практически на любые расстояния с наи­высшими скоростями, а имеет более широкий спектр, от бортовых систем (самолетов, кораблей и др.) до локальных и глобальных волоконно- оптических телекоммуникационных сетей. Внедрение

таких систем предопределяет развитие не только классических телекоммуникационных систем и сетей, но и радиоэлектроники, атомной энергетики, космоса, машиностроения, судостроения и т. д.

В ВОСП передача сообщений осуществляется посредством световых волн от 0,1 мкм до 1 мм. Диапазоны длин волн (или частот), в пределах которых обеспечиваются наилучшие условия распространения световых волн по оптическому волокну, называ­ются его окнами прозрачности.

В настоящее время для построения ВОСП используются длины волн от 0,8 мкм до 1,65 мкм (в дальнейшем предполагается освое­ние и более длинных волн - 2,4 и 2,6 мкм), называемые инфракрас­ным излучением (просто светом) или оптическим излучением (ОИ).

Для увеличения дальности передачи за счет наилучшего рас­пространения световой волны были исследованы различные опти­ческие волноводы, называемые оптическими волокнами (ОВ) или световодами, под которыми понимаются направляющие каналы для передачи оптического излучения, состоящие из сердцевины, окруженной оболочкой (оболочками). ОВ в сочетании с оптоэлектронными технологиями (генерация оптического излучения, его усиление, прием, обработка оптических сигналов и др.) дали разви­тие современному направлению техники, носящему название воло­конной оптики - раздела оптики, рассматривающего передачу излучения по волоконным световодам - оптическим волокнам.

Световые сигналы издавна использовались для передачи сооб­щений, но первая попытка использовать их для передачи речевых сигналов, была осуществлена в 1882 г. американским изобретате­лем А. Г. Беллом. «В одном из заседаний американского общества ученых Белл демонстрировал новый прибор, который он назвал фотофоном, на том основании, что аппарат этот служил для пере­дачи звуков при помощи светового луча, причем нет надобности оба корреспондирующие пункта соединять проволокою, как при дейст­вии телефонами, а необходимо одно только условие, чтобы луч света из передающего пункта мог беспрепятственно достигнуть принимающей стороны».

Однако из-за успешного развития в конце XIX века воздушных и кабельных линий связи, изобретения радио А. С. Поповым, опти­ческие способы передачи сообщений были надолго забыты.

Современная эра оптической связи началась с изобретения в 1958 г. и последовавшим вскоре созданием первых лазеров (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - LASER) и создания

на их основе оптических квантовых генераторов (ОКГ) в 1961 г. По сравнению с обычными источниками оптического излучения лазер­ное излучение обладает высокой монохроматичностью и когерент­ностью и имеет очень большую интенсивность и поэтому было совершенно естественно использовать его в качестве несущего колебания в системах передачи. Лазерное излучение открывало возможность получения исключительно широкой полосы пропуска­ния при условии осуществления его модуляции в полосе частот, составляющей всего несколько процентов от основной частоты излучения лазера. В самом деле, лазерная система передачи на гелий-неоновом лазере (длина волны в свободном пространстве Л = 0,63 мкм, частота f = 4,7-10¹⁴ Гц) имеет полосу пропускания 4700 ГГц (1% от основной частоты), в которой можно разместить одновременно около миллиона телевизионных каналов.

В 1960-е годы было предложено много технических решений по осуществлению различных видов модуляции лазерного излучения (частотная, фазовая, амплитудная, по интенсивности и поляриза­ции, импульсной), а также был создан ряд лазерных систем пере­дачи, использующих распространение света в свободном пространстве, называемых открытыми системами связи.

Открытые системы связи из-за ряда своих недостатков (высокая требуемая точность наведения антенн передатчика и приемника, низкий КПД оптических излучателей, высокий уровень шумов в приемнике, влияние характеристик атмосферы на надежность связи) не нашли широкого применения для использования в теле­коммуникационных сетях и системах общего пользования.

В это же время широко проводились эксперименты по созданию направляющих систем, в которых лазерный пучок вводился в канал передачи с помощью линз, располагаемых друг от друга на рас­стоянии 10 или 100 м. Дальнейшие исследования и разработки в этом направлении привели к идеи использования длинных оптиче­ских волокон (ОВ), подобных тем, которые использовались в эндо­скопии и других областях, и были заложены основы волоконно-оптической связи.

Основной причиной, сдерживавшей практическую реализацию этой идеи, было большое затухание сигнала в таком ОВ, доходив­шее до 1000 дБ/км. Если бы удалось уменьшить затухание в стекле в инфракрасной области спектра до 20 дБ/км, то стало бы возмож­ным создание практических волоконно-оптических систем передачи. Работы в этом направлении привели к тому, что в 1975 г. в лабораторных условиях были получены ОВ с затуханием до 2 дБ/км и в 1979 г. были достигнуты потери порядка 0,2 дБ/км.

К 1980 г. во многих странах выпускали ОВ с потерями менее Ю дБ/км и были созданы надежные полупроводниковые источники оптического излучения и фотодетекторы (приемники оптического излучения) и стали проводиться всесторонние испытания волокон­но-оптических линий связи (ВОЛС), включаемых в обычные телефонные сети. Наступила эра волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) и, соответствующих им, телекоммуникационных, оптоэлектронных и компьютерных технологий.

Ниже перечисленные достоинства ВОЛС обеспечили их быстрое и широкое применение:

1. Возможность получения ОВ с параметрами, обеспечивающи­ми расстояние между ретрансляторами не менее 100... 150 км.

2. Производство оптических кабелей (ОК) с малыми габаритны­ми размерами и массой при высокой информационной пропускной способности.

3. Постоянное и непрерывное снижение стоимости производства оп­тических кабелей и совершенствование технологии их производства.

4. Высокая защищенность от внешних электромагнитных воздей­ствий и переходных помех.

5. Высокая скрытность связи (утечка информации): ответвление сигнала возможно только при непосредственном подсоединении к отдельному волокну.

6. Гибкость в реализации требуемой полосы пропускания: ОВ различных типов позволяют заменить электрические кабели в цифровых системах передачи всех уровней иерархии.

7. Возможность постоянного совершенствования ВОСП по мере появления новых источников оптического излучения, оптических волокон, фотоприемников и усилителей оптического излучения с улучшенными характеристиками или при повышении требований к их характеристикам при полном сохранении совместимости с другими системами передачи.

8. Соответствующим образом спроектированные ВОЛС относи­тельно невосприимчивы к неблагоприятным температурным усло­виям и влажности и могут быть использованы для подводных кабелей.

9. Надежная техника безопасности (безвредность во взрыво­опасных средах, отсутствие искрения и короткого замыкания), воз­можность обеспечения полной электрической изоляции.

Завершено создание Транссибирской оптической линии (ТСЛ) протяженностью около 17 000 км, проходящей по всей территории России, которая свяжет Восток и Запад страны со странами Европы, Азии и Америки. Входя в мировую транснациональную сеть связи, ТСЛ замыкает глобальное волоконно-оптическое кольцо цифровой связи, которое охватывает четыре континента - Европу, Азию, Америку, Австралию и три океана - Атлантический, Тихий и Индий­ский. Действуют подводные оптические магистрали между США и Европой через Атлантический океан, Австралия - Новая Зеландия -Гавайи - Северная Америка протяженностью 16 000 км.

К концу XX века завершена прокладка трансатлантической ВОЛС протяженностью около 6000 км без ретрансляторов между Амери­кой и Европой. Эта линия сооружена на волокне из тетрафторида циркония, имеющего на длине волны 2,5 мкм затухание 0,01 дБ/км, или из фторида бериллия с затуханием 0,005 дБ/км на длине волны 2,1 мкм.

В настоящее время на многих ВОЛС общего пользования ис­пользуются скорости передачи до 622 Мбит/с, но все большее применение получают ВОСП на скорости передачи 2,5 Гбит/с и выше. По таким ВОЛС можно организовать от 7680 до 100 000 каналов тональной частоты (КТЧ) или основных цифровых каналов (ОЦК) с пропускной способностью 64 кбит/с. В настоящее время разработаны ВОСП на скорости передачи до 40 Гбит/с.

Эти возможности не являются предельными: спектральное уп­лотнение (СУ) и когерентный прием позволят на несколько порядков увеличить суммарную скорость передачи информации по ВОЛС. Если обратиться к третьему окну прозрачности ОВ шириной 140 мкм на длине волны 1,55 мкм, то в нем можно разместить до 630 спектральных каналов (СК) при разносе частот между ними 24 ГГц и скорости передачи 2,4 Гбит/с в каждом. Это соответствует при­мерно суммарной скорости 1,5 Тбит/с или 23 млн КТЧ или ОЦК.

Для описания параметров оптических кабелей и компонент ВОСП используется как частота, так и длина волны оптического излучения. Поэтому полезно знать соотношения между этими пере­менными, что особенно важно при описании полос пропускания в терминах отклонений длины волны или частоты.

Связь между длиной волны и частотой оптического сигнала оп­ределяются соотношением

(1)

где -длина волны оптического излучения в среде распространения; f - частота сигнала; с -скорость света в среде распространения.

Скорость света при распространении его через оптически про­зрачный материал, в свою очередь, связана с его показателем преломления, следующим образом:

(2)

здесь с₀ - скорость света, равная 300 000 000 м /с; - показатель преломления среды распространения оптического сигнала.

Очевидно, что длина волны оптического сигнала изменяется с изменением показателя преломления среды

(3)

где - называется длиной волны в свободном пространстве, т.е. длиной волны, которая будет измерена в вакууме.

Очень часто особое значение приобретает разница между дли­нами волн или разница частот . Важно знать, как можно пре­образовать эти две переменные, как они между собой связаны

(4)

или

. (5)

Эти уравнения весьма полезны, так как часто возникает необхо­димость преобразования данных параметров из одних единиц измерения в другие. Так, например, в полосе пропускания ВОСП с центральной длиной волны = 1,3 мкм ширина полосы излучения равна 0,0001 мкм, а ширина полосы частот излучения будет равна = 40 ГГц.