61. Структурная схема и принцип действия волс.

Основой волоконно-оптической лини связи является оптическое волокно, являющееся средой передачи информации.

Для любой системы связи наиболее важны три фактора:

1. Информационная емкость системы.

2. Стойкость линии передачи к воздействию окружающей среды.

3. Затухание, определяющее максимальную длину участка ре­генерации.

Оптические линии связи по данным параметрам выглядят наиболее выигрышно, по сравнению с остальными средами передачи информации.

Во-первых, они обладают огромной информационной емкостью. Прибли­женно можно считать, что информационная емкость системы пропорциональ­на используемой частоте, поскольку максимальная полоса частот передаваемого сигнала не может превышать одного процента от не­сущей частоты. Несущая частота оптического сигнала намного выше несущей частоты любого другого сигнала, используемого для передачи информации, и составляет примерно f₀ = 2·10¹⁴ Гц. Следовательно, и максимальная полоса частот составляет примерно Δf~10¹²Гц.

Во-вторых, оптические сигналы обычно передаются по кварцевому волокну, которое очень стойко к внешним воздействиям. В настоящее время оптическое волокно одна из самых совершенных сред для передачи информации.

В-третьих, невероятно малые потери в оптическом волокне наряду с предыдущими двумя свойствами предопределили успех волоконно-оптических линий связи.

Основой для разработки оптических систем связи большой инфор­мационной емкости стало создание лазера, способного создать световой сигнал достаточной интенсивности со стабильной частотой и обладающий рядом других полезных свойств.

Наиболее перспективной направляющей системой для оптичеcких систем связи оказались диэлектрические волноводы, или во­локна, как их называют из-за малых поперечных размеров и ме­тода получения. Диэлектрические волноводы оптического диапа­зона называют также световодами.

Успехи в технологии получения световодов с малыми потерями стимулировали работы по созданию волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и интегрально-оптических устройств обработки ин­формации. Интерес к волоконно-оптическим линиям связи объяс­няется высокой актуальностью и большими перспективами этой новой области науки и техники.

Особенности волоконно-оптических систем связи. Волоконно-оптические линии связи - это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно". Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам.

Физические особенности: Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей (Fo=10¹⁴ Гц). Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 10¹² бит/с или 1Терабит/с. Другими словами, по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть еще увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет еще раз удвоить пропускную способность оптического канала связи. Очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы волокна имеют затухание от 0.15 до 0.22 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Разрабатываются еще более "прозрачные", так называемые фторцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2.5 мкм. На основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.

Технические особенности: Волокно не использует дефицитных материалов. Оно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенная в природе. Поэтому волоконно-оптическая линия связи потенциально недорога, в отличие от электрических линий связи, изготавливаемой из меди. Оптические волокна имеют диаметр порядка 100 мкм, то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике. Стеклянные волокна - не металл, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов. Применяя особо прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах существующих линий электропередачи, как отдельно, так и встроенные в фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие преграды. Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии. Теоретически существуют способы обойти защиту, но затраты на реализацию этих способов будут столь велики, что превзойдут стоимость перехваченной информации. Важное свойство оптического волокна - долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить оптико-волоконный кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие.

Недостатки: При создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы. Необходимы также оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связи должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее. Для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование. Как следствие, при обрыве оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.

Преимущества от применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) настолько значительны, что несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации.

Наряду с волоконно-оптическими линиями связи (ВОЛС) в последнее время все более видное место начинают занимать лазерные атмосферные средства передачи информации. Обладая такими же как и ВОЛС потенциальными возможностями по пропускной способности и скорости передачи они выгодно отличаются от первых экономичностью, быстротой установки, гибкостью и мобильностью. В отличие от ВОЛС лазерные атмосферные линии связи (ЛАЛС) не требуют прокладки кабеля, рытья траншей и аренды земли. Они незаменимы там, где нужно быстро и сравнительно дешево организовать  широкополосный скоростной канал связи в густонаселенных районах, насыщенных транспортными магистралями, промышленными объектами и различными учреждениями с высокой стоимостью земельных участков. В отличие от других бескабельных средств ЛАЛС не требуют лицензирования радиочастотного диапазона, не создают помех и вредного излучения. Высокая направленность лазерных пучков обеспечивает ЛАЛС защиту от несанкционированного доступа к передаваемой информации. В то же время невольные опасения вызывает проблема некоторой зависимости от погодных факторов. Интуитивные и упрощенные представления создают обманчивую иллюзию крайне низкой надежности атмосферной оптической связи  из-за влияния  дождей, туманов, смогов и снегопадов. Эти факторы действительно вносят ослабление сигнала, однако правильно рассчитанная линия передачи работает достаточно надежно.

Структурная схема волоконно-оптической линии связи:

Структурная схема волоконно-оптической линии связи приве­дена на рис. 1.1. Электрический сигнал после аппаратуры пере­дачи преобразуется в световой, передается по волоконно-оптическому кабелю и попадает на фотоприемник, преобразующий свето­вые импульсы в электрические, которые усиливаются и демодулируются. Волоконно-оптические линии связи на большие расстоя­ния должны иметь ретрансляторы, где происходит преобразование оптических сигналов в электрический эквивалент, усиление, вос­становление исходной формы сигнала, после чего электрические сигналы преобразуются в оптические путем модуляции полупро­водникового квантового генератора или светодиода.

Обработка оптического сигнала производится с помощью методов интегральной оптики. Задача интегральной оптики – создание интегральных опти­ческих схем для обработки сигналов, которые должны быть согласо­ваны с волоконно-оптическими линиями связи. Типичный оптиче­ский ретранслятор, включающий лазер, модулятор, детектор, лин­зы и т. д., можно выполнить на оптической скамье, однако такой прибор будет иметь ряд недостатков. Традиционные оптические приборы должны быть юстированы с чрезвычайно высокой точностью. Они очень чувствитель­ны к изменениям температуры и малейшим вибрациям раздельно установленных частей. Интегральная оптика объединяет раздельные компоненты на одной подложке, соеди­нив их миниатюрными оптическими передающими линиями или световодами. Интеграция оптических компонент облегчается, если они изготовлены миниатюрными в тонкопленочной форме. По­скольку размеры компонент имеют порядок длины волны света в одном или, возможно, в двух измерениях, то подложка для всей функциональной схемы получается достаточно малой: сантимет­ры или меньше.