2. Волоконно-оптические кабели

Современные кабели на основе медных витых пар вполне технологичны, не предъявляют особых требований к конструкциям приемо-передатчиков, обеспечивают работу современных ЛВС на скорости 1 Гбит/сек и готовятся справиться с 10 Гбит/сек, но все-таки идеальной средой для передачи информации в ЛВС является оптическое волокно. Не зря при каждом шаге вверх по скорости передачи данных например в технологии Ethernet, а их уже состоялось три (10-100-1000-10000 Мбит/сек), первые реализации технологии использовали именно оптоволокно. Рассмотрим эту среду передачи данных подробнее.

Оптическое волокно представляет собой диэлектрический волновод, изготовленный из кварцевого стекла. Он имеет световедущую сердцевину с показателем преломления света n1, окруженную оболочкой с показателем преломления n2, причем n1>n2.

Попадая в световедущую сердцевину, свет распространяется в ней за счет эффекта полного внутреннего отражения. Этот эффект имеет место при падении луча света на границу раздела двух сред из среды с большим показателем преломления n1 в среду с меньшим показателем n2, и наблюдается только до определенных значений угла падения, величина которого

	Рис. 1. Угол полного внутреннего отражения и числовая апертура волокна

определяется различиями n1 и n2 (см. рис. 1). Именно по этой причине рыба всегда видит рыбака, но не наоборот.

Согласно законам оптики значение этого угла определяет соотношение

Лучи света, падающие на границу раздела n1/n2 под углами большими критического угла будут распространяться в световедущей сердцевине с очень малыми потерями, а лучи не удовлетворяющие этому условию - выходить в оболочку и быстро затухать. Вместо угла падения на границу раздела сред можно вести речь об угле отклонения от оси оптоволокна Альфа-эн. Луч, параллельный оси сердцевины волокна, будет распространяться вдоль него. Лучи, отклонение которых меньше критического значения, также будут распространяться вдоль волокна без потерь, все остальные будут за несколько циклов переотражения покидать волокно (или поглощаться внешней непрозрачной оболочкой).

Диаметр используемых волокон порядка 100 мкм, а диаметр сердцевины измеряется десятками микрометров. На этом масштабе длин сказываются волновые свойства света, и допустимы не любые отклонения падающего пучка света от оси волновода, а только некоторый их дискретный набор (поэтому мы и использовали обозначение Альфа-эн). В результате в общем случае в оптоволокне распространяется некоторое конечное число пучков света, которые принято называть модами. В предельном случае, если диаметр сердцевины достаточно мал (порядка 10 мкм), может существовать только одна мода с нулевым отклонением направления распространения от оси световода. Такое волокно назавается одномодовым.

Как физическая среда для передачи информации оптическое волокно имеет ряд существенных преимуществ, по сравнению с другими, среди которых:

Широкая полоса частот (до 10¹⁴ Гц) и низкое затухание света в оптоволокне (~ 0,1-0,2 дБ/км) обеспечивают передачу массивов информации с высокими скоростями и на большие расстояния (до сотен километров без регенерации сигнала). Отметим, что задача производства стекла с такими параметрами отнюдь не тривиальна, это совсем не то стекло, что вставляется в окна.

Стекло как среда передачи нечувствительно к электромагнитным полям. Поэтому оптоволокно может прокладываться вместе с силовыми кабелями, без опасности возникновения наведенных помех и ошибок при передаче информации.

Оптическое волокно пожаровзрывобезопасно.

Оптическое волокно является диэлектриком, поэтому в волоконно-оптическая сети обеспечивается гальваническая развязка между передающим и приемным оборудованием и такие проблемы, как близкий удар молнии, не приводят к фатальным последствиям.

Оптическое волокно, как канал связи, имеет высокую степень защиты от прослушивания и несанкционированного съема информации поскольку сигнал распространяется в сердцевине волокна и даже получив доступ к кабелю снять с него информацию можно только выполнив физическое подключение, не заметить которого очень сложно.

Волоконно-оптические линии связи имеют значительно меньшие объем и массу в расчете на единицу передаваемой информации, чем любые другие.

Существует два типа оптических волокон: многомодовые (ММ) и одномодовые (SM).

отличающиеся диаметрами световедущей сердцевины. Многомодовое волокно, в свою очередь, бывает двух типов: со ступенчатым и градиентным профилями показателя преломления по его сечению.

Диаметр сердцевины оптического волокна со ступенчатым профилем показателя преломления лежит в пределах от 100 до 200 мкм; значение показателя преломления n1 по всему поперечному сечению сердцевины постоянно и резко падает (ступенчатый) на границе с оболочкой (рис. 2).

Рис. 2. Многомодовое оптическое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления

В ступенчатом оптоволокне могут возбуждаться и распространяться до тысячи мод с различным распределением по сечению и длине оптоволокна. Моды имеют различные оптические пути и, следовательно, различные времена распространения по оптоволокну, что приводит к уширению импульса света по мере его прохождения по оптоволокну. Это явление называется межмодовой дисперсией и оно непосредственно влияет на скорость передачи информации по оптоволокну. Область применения ступенчатых оптоволокон короткие (до 1 км) линии связи со скоростями передачи информации до 100 Мбайт/с, рабочая длина волны излучения, как правило, 0,85 мкм. Это устаревший тип оптического волокна, не используемый в настоящее время.

В многомодовом оптическом волокне с градиентным профилем показателя преломления значение показателя преломления плавно изменяется от центра к краям сердцевины по закону, близкому к n²(r) = n1²(1 - 2D(r/a)²) , где а - радиус сердцевины; D = n1 - n2. (рис. 3). Благодаря этому число распространяющихся в сердцевине мод и различия в длинах оптических путей этих мод значительно уменьшаются и соответственно уменьшается и дисперсия.

Рис. 3. Многомодовое оптическое волокно с градиентным показателем преломления

Градиентное оптоволокно в соответствии со стандартами имеет диаметр сердцевины 50 мкм и 62,5 мкм, диаметр оболочки 125 мкм. Оно применяется во внутриобъектовых линиях длиной до 5 км, со скоростями передачи до 100 Мбайт/c на длинах волн 0,85 мкм и 1,35 мкм.

Стандартное одномодовое оптическое волокно имеет диаметр сердцевины 9 мкм и диаметр оболочки 125 мкм (рис. 4).

Рис. 4. Одномодовое оптическое волокно

В этом оптоволокне существует и распространяется только одна, поэтому в нем отсутствует межмодовая дисперсия, что позволяет передавать сигналы на гораздо большие расстояния без регенерации. Рабочие длины волн l1 = 1,31 мкм и l2 = 1,55 мкм.

Однако практическая реализация всех этих замечательных возможностей была не простой научно-технологической задачей. Для создания реальной оптико-волоконной линии связи необходимы два элемента: само оптоволокно и приемо-передающие устройства, работающие в оптическом диапазоне.

Оптическое волокно невозможно изготовить из обычного стекла. Только идеально чистое кварцевое стекло обладает необходимыми свойствами. Первые образцы с приемлемым уровнем затухания около 20 дБ/км появились только в 1970 году. Современные одномодовые волокна имеют затухание менее 1 дБ/км. Но наиболее трудной была проблема создания передатчиков, регенераторов и приемников, работающих в оптическом и близком инфракрасном диапазоне. Только появление сначала светодиодов а затем и лазеров на полупроводниковых гетероструктурах в семидесятых годах прошлого века и их последующее развитие позволило использовать свет в качестве эффективного переносчика информации.

Передача оптического сигнала на большие расстояния невозможно без использования линейных широкополосных усилителей. Даже лучшее одномодовое волокно требует регенерации сигнала через 90 - 140 км. Набольшее распространение получили так называемые эрбиевые усилители на основе легированного эрбием волокна (EDFA-Erbium Doped Fibre Amplifier) с рабочим диапазоном 1530-1560 нм.

Первая трансатлантическая оптоволоконная линия связи ТАТ-8 была введена в эксплуатацию в 1988 году. Кабель имеет 4 пары волокон по каждой из которых можно передавать до 280 Мбит/сек. Современные средства приема-передачи с использованием спектрального мультиплицирования (позволяют передавать до 1000 Гбит/сек по одному волокну на неограниченные расстояния.

Достигнутый технологический прогресс и доступные цены как на кабели, так и на необходимую аппаратуру сделали оптоволоконные линии стандартным решением не только в магистральных каналах передачи данных, но и в сетях городского масштаба, при объединении локальных сетей в соседних зданиях и базовых магистралях внутри зданий.

8