Оптоволоконные системы

Оптоволоконная технология представляет собой ядро современных высокоскоро­стных сетей. Сделанные из тонкого стекла волокна, соединяют между собой как уда­ленные друг от друга города, так и многочисленные точки сети в городской инфра­структуре, передавая информацию с помощью световых импульсов быстрее и надеж­нее, чем по медным проводам. При этом достигаются скорости передачи до 10 гигабит в секунду (Гбит/с). В настоящее время ведутся работы по повышению этих скоростей до 40 Гбит/с.

В оптоволоконном кабеле информация распространяется со скоростью света. Промежутки времени, используемые для измерения времени прохождения световых сигналов, исключительно малы. Хотя оптоволоконные кабели имеют небольшой диаметр, они могут иметь очень большую длину. Имея диаметр, примерно равный толщине человеческого волоса, оптоволоконный кабель может передавать огромные объемы информации.

Система передачи данных по оптоволоконному кабелю

Все системы коммуникаций имеют три общих для всех них компонента: источник сигнала, среда прохождения сигнала и получатель сигнала. Система может быть чрезвы­чайно простой — вплоть до двух консервных банок, соединенных проволокой, с помо­щью которых можно поговорить с приятелем. При использовании оптоволоконного ка­беля передатчиком является источник света, средой является внутреннее пространство оптоволоконного кабеля, а приемником — оптический сенсор (рис. 17.1).

Оптический передатчик

Оптический передатчиком (transmitter) может служить любой источник света, на­пример, обычная электролампочка (рис. 17.2). В качестве оптических передатчиков обычно используются светодиоды (light emitting diod — LED) или лазеры. Электри­ческие сигналы, такие как импульсы, передающие голосовую, видеоинформацию или обычные цифровые данные, преобразуются в световые импульсы путем подачи электрического сигнала для включения и выключения источника света (для цифро­вого сигнала) или для изменения его интенсивности (для аналогового сигнала). Для цифрового сигнала включение света обозначается значением бита 1, а его выключе­ние — значением 0. Для аналогового сигнала интенсивность света варьируется в со­ответствии с амплитудой электрического сигнала.

Оптический приемник

Оптическим приемником обычно является полупроводник, преобразующий свет в соответствующий электрический сигнал. Такой приемник обычно называется оптоэлектрическим преобразователем (optical-to-electrical converter) или преобразователем О-Е. При использовании цифрового сигнала получение светового импульса вызывает появление электрического импульса определенной амплитуды. При отсутствии светового импульса наблюдается низкий уровень электрического сигнала (рис. 17.3). в ана­логовой системе уровень электрического сигнала соответствует интенсивности (мощности) светового сигнала, попадающего на оптоэлектрический преобразователь.

Электрический сигнал присутствует даже в том случае, если на оптоэлектриче­ский преобразователь не попадает свет. Этот сигнал вызывается дрейфовым или темновым током, который имеется в любой цепи детектора. Этот темновой ток представляет собой электрический шум, который естественным образом возникает в любой электрической цепи. Некоторые цепи преобразователя имеют меньший уровень шума, чем другие. Уровень шума в приемнике зависит от его конструкции. Низким уровнем шума обладают конструкции более высокого качества (рис 17.4).

Свет

Свет или световое излучение может описываться разными способами. Электро­лампочки характеризуются своей мощностью, например, 60 или 100 ватт. В оптово­локонных системах мощность источника света исчисляется тысячными, миллион­ными или миллиардными долями ватта: милливатт (мВт), микроватт (мкВт) или нановатт (нВт). Обычно удобнее работать с децибелами (dB), представляющими собой набор единиц измерения по отношению к ватту. Выражение "децибел от одного милливатта" (dBm) определяет мощность сигнала в проводах и кабелях в полосе ау­дио- и радиочастот.

Свет можно характеризовать его цветом, который определяется длиной волны элек­тромагнитного сигнала. Например, голубой цвет имеет длину волны около 300 наномет­ров (нм), а красный — около 700 нм. В оптоволоконной оптике используются три фик­сированных длины волны: 850, 1300 и 1550 нм. Во многомодовых системах используются только длины волн 850 и 1300 нм, в то время как в одномодовых системам — только дли­ны волн 1300 и1550 нм (рис. 17.5).

Яркость светового сигнала определяется его мощностью. Чем выше мощность источ­ника света (в ваттах), тем ярче свет. В оптоволоконнных системах исходным значением является 1 милливатт (мВт), которому соответствует нулевое значение в децибелах dBm. Большим значениям мощности соответствуют большие значения в децибелах, например, 4 мВт соответствуют +6 dBm. Увеличению на 3 dB соответствует удвоение мощности све­тового сигнала. Уменьшению на 3 dB (-3 dB) соответствует двукратное уменьшение мощности. Например, значению 0,250 мВт соответствует значение -6 dBm (рис. 17.6).

Уровни мощности, наблюдаемые в оптоволоконных системах, варьируются от +20 dBm, что соответствует мощности горячих световых лазеров, до значения при­мерно -70 dBm, представляющего мощность светового сигнала после того, как он прошел по кабелю расстояние в 100 миль (около 170 км).

Передача сигнала в оптических сетях

В оптоволоконных системах информация передается путем изменения мощности светового сигнала, а не изменением его длины волны или частоты. Следствием этого является постоянство длины волны сигнала. Два сигнала с разными длинами волн могут передаваться по одному и тому же оптоволоконному кабелю без возникнове­ния между ними интерференции (наложения). Такой способ передачи сигналов на­зывается мультиплексированием с разделением по длинам волн или по частотам (wavelength division multiplexing — WDM). Он позволяет одновременно пересылать по одному оптоволоконному кабелю сигналы с разными длинами волн, что увеличива­ет пропускную способность кабеля (рис. 17.7). Более подробно мультиплексирова­ние WDM обсуждается далее в настоящей главе.

При проектировании системы выбор используемого источника света является важным шагом, поскольку он является одним из дорогостоящих элементов. Харак­теристики источника света часто оказываются серьезным ограничением оконча­тельной производительности оптического канала. Светоизлучающее устройство, ис­пользуемое для оптической передачи сигнала должно быть компактным, монохро­матическим, устойчивым и иметь большой срок службы. Тремя основными типами светоизлучающих устройств, используемых при оптической передаче, являются светодиоды (LED), лазерные диоды и полупроводниковые лазеры (рис. 17.8). Светодиоды LED являются относительно медленными устройствами и могут использо­ваться лишь для скоростей передачи, не превышающих 1 Гбит/с. Светодиоды имеют относительно широкую спектральную характеристику и излучают свет довольно широким пучком.

Светодиоды и лазерные диоды представляют собой недорогие устройства, часто используемые в многомодовых оптоволоконных кабелях. С другой стороны, полу­проводниковые лазеры имеют характеристики, более подходящие для использова­ния с одномодовыми кабелями.

Отражение и рефракция

Свет часто рассматривается как перемещение светового луча. Под отражением (reflection) понимается возвратное движение светового луча после того, как он падает на поверхность соприкосновения двух материалов и отражается под тем же углом. В частности, отражение происходит когда луч света падает на оконное стекло или на зеркало (рис. 17.9). При этом луч отражается под тем же углом, под которым он упал на эту поверхность.

Под рефракцией (refraction) понимается искривление светового луча вследствие изменения его скорости при переходе из одного материала в другой. Если луч света падает на другой материал под достаточно пологим углом, то значительная его часть не отражается, а проходит через поверхность в другой материал (рис. 17.10). Если материалы имеют различную плотность, то свет изгибается или отражается под фик­сированным углом.

Угол рефракции зависит от разницы плотностей двух материалов. Например, когда луч света выходит из воды, он преломляется. При погружении рыболовной удочки в воду она выглядит надломленной. Однако удочка на самом деле не имеет излома — этот излом претерпевают лучи света.

Коэффициент IOR

При проектировании сети одной из наиболее важных характеристик оптоволо­конного кабеля является его коэффициент IOR, представляющий собой отношение скорости света в вакууме к скорости света в данном кабеле. Коэффициент IOR от­ражает плотность материала кабеля, поскольку чем плотнее материал (имеет боль­шее значение IOR), тем медленнее распространяется в нем свет. Типичные значения IOR для оптоволоконных кабелей находятся в диапазоне от 1,4 до 1,5.

Коэффициенты IOR кабелей различных производителей несколько отличаются, поскольку при их изготовлении применяются различные технологии. Даже в одном кабеле коэффициент IOR может изменяться. Значение IOR, указываемое произво­дителем, представляет собой лишь среднее значение. Два кабеля с различными ко­эффициентами IOR могут работать вместе. При этом, однако, следует учитывать, что изменение IOR оказывает влияние на измерение расстояний, поскольку в более плотных материалах свет распространяется медленнее.

Оптоволоконный кабель представляет собой сетевую среду, в которой для передачи данных по тонким стеклянным волокнам используется модулированный свет. Сигна­лы, представляющие биты данных, преобразуются в пучки световых лучей. Многие ха­рактеристики оптоволоконных кабелей делают их более эффективной средой переда­чи, чем традиционные медные провода. Оптоволоконные кабели не подвержены элек­трическим наводкам и радиопомехам. Оптоволоконный кабель имеет более высокую скорость передачи, значительно увеличивает возможную дальность, не требует зазем­ления и более устойчив к воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды. Эти характеристики делают в некоторых случаях оптоволоконный кабель более привлекательным решением по сравнению с медным проводом. Для лучшего понимания работы оптоволоконной среды необходимо иметь базовые знания о некоторых наибо­лее важных характеристиках распространения света в таких материалах, как стекло. В настоящем разделе описаны два основных типа оптоволоконных кабелей — одномодовый и многомодовый. В нем также обсуждаются возможные геометрические про­блемы, связанные с использованием оптоволоконных кабелей, факторы, влияющие на потери, а также причины ослабления сигнала. Кроме того, в этом разделе описаны две технологии оптоволоконных фильтров: использование волоконной решетки Брэгга (Fiber Bragg Grating) или диэлектрического фильтра.