Лекция 7. Волоконно-оптическая линия связи

7.1. Классификация волс

Волоконно-оптическая связь - вид проводной электросвязи, использующий в качестве носителя информационного сигнала электромагнитное излучение оптического (ближнего инфракрасного) диапазона, а в качестве направляющих систем - волоконно-оптические кабели.

Пропускная способность ВОЛС многократно превышает пропускную способность всех других систем связи (высокая несущая частота и возможность мультиплексирования). ВОЛС свободна от электромагнитных помех и недоступна для несанкционированного использования - перехватить сигнал, передаваемый по оптическому кабелю, невозможно.

В основе волоконно-оптической связи лежит явление полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления. Оптическое волокно состоит из двух элементов:

 - сердцевины (световод) (показатель преломления сердцевины - 1,479) n1;

- оболочки (показатель преломления оболочки - 1,474) n2.

(Показатель преломления вещества — величина, равная отношению фазовых скоростей света (электромагнитных волн) в вакууме и в данной среде).

Показатель преломления сердцевины несколько больше показателя преломления оболочки, благодаря чему луч света, испытывая многократные переотражения на границе сердцевина-оболочка, распространяется в сердцевине, не покидая её. (Если угол падения света на границу раздела сердцевина-оболочка (φ₁) удовлетворяет условию , то свет не может покинуть сердцевину волновода).

Две проблемы при разработке оптических систем передачи данных:

- источник света;

- носитель сигнала.

Первая разрешилась с изобретением лазеров в 1960 году, вторая - с появлением высококачественных оптических кабелей в 1970 году (Corning Glass Works). Затухание кабеле - около 20 дБ/км, разработаны компактные полупроводниковые GaAs-лазеры.

(Арсени́д га́ллия (GaAs) — химическое соединение галлия и мышьяка. Важный полупроводник, третий по масштабам использования в промышленности после кремния и германия. Используется для создания сверхвысокочастотных интегральных схем, светодиодов, лазерных диодов, диодов Ганна, туннельных диодов, фотоприёмников и детекторов ядерных излучений. Арсенид галлия обладает более высокой подвижностью электронов, которая позволяет приборам работать на частотах до 250 ГГц).

Первая коммерческая ВОЛС (конец 70-ых годов): длина волны - 0,8 мкм и полупроводниковый лазер на основе арсенида галлия (AsGa). Битрейт систем первого поколения составлял 45 Мбит/с, расстояние между повторителями - 10 км. (Битрейт (англ. bit rate) - скорость прохождения битов информации. Битрейт принято использовать при измерении эффективной скорости передачи информации по каналу, то есть скорости передачи «полезной информации». Скорость передачи информации, учитывающую полную пропускную способность канала, измеряют в бодах).

Второе поколение ВОЛС - в начале 1980-х.: - длиной волны 1,3 мкм от InGaAsP-лазеров (фосфид индия (InP) - индий и фосфор). В 1987 году системы работали на скорости до 1,7 Гбит/с при расстоянии между повторителями 50 км.

Первый трансатлантический телефонный оптический кабель - ТАТ-8 - введён в эксплуатацию в 1988 году (технология Desurvire усиления лазера).

В 2009 году лаборатории Белла посредством мультиплексирования 155 каналов по 100 Гбит/с удалось передать сигнал со скоростью 15,5 Тбит/с на расстояние 7000 километров.

Оптическое волокно

Стеклянные оптические волокна делаются из кварцевого стекла, для дальнего инфракрасного диапазона используется флуоро-цирконат, флуоро-алюминат и халькогенидные стекла (показатель преломления около 1,5).

Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, испытывая многократные переотражения от границы раздела «сердцевина - оболочка».

Все оптические волокна, используемые в телекоммуникациях, имеют диаметр 125±1 микрон. Диаметр сердцевины может отличаться в зависимости от типа волокна и национальных стандартов.

Классификация

Профиль показателя преломления различных типов оптических волокон:

- одномодовое волокно,

- многомодовое ступенчатое волокно,

- градиентное волокно с параболическим профилем.

Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 9 микрон. Достигается передача по волокну лишь одной моды электромагнитного излучения, за счёт чего исключается влияние дисперсионных искажений. Практически все производимые волокна являются одномодовыми.

Существует три основных типа одномодовых волокон:

1. Одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (стандартное) (англ. SMF — Step Index Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи.

2. Одномодовое волокно со смещённой дисперсией (англ. DSF — Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.653. В волокнах DSF с помощью примесей область нулевой дисперсии смещена в третье окно прозрачности, в котором наблюдается минимальное затухание.

3. Одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (англ. NZDSF — Non-Zero Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.655.

Многомодовые волокна отличаются диаметром сердцевины - 50 микрон в европейском стандарте и 62,5 микрон в североамериканском и японском стандартах. По многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения - каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Многомодовые волокна подразделяются на:

- ступенчатые (показатель преломления от оболочки к сердцевине

изменяется скачкообразно);

- градиентные (показатель преломления сердцевины плавно возрастает от

края к центру).

Окно прозрачности оптического волокна

Окно прозрачности - диапазон длин волн оптического излучения с наименьшим затуханием излучения в оптическом волокне.

Стандартное ступенчатое оптическое волокно SMF имеет три окна прозрачности: 850 нм, 1310 нм и 1550 нм. Разработаны четвёртое (1580 нм) и пятое (1400 нм) окна прозрачности.

Затухание в разных окнах прозрачности неодинаково: наименьшая его величина - 0,22 дБ/км наблюдается на длине волны 1550 нм ( используется для организации связи на большие расстояния). Во втором окне прозрачности (1310 нм) затухание выше, однако для этой длины волны характерна нулевая дисперсия ( используется на городских и зоновых сетях небольшой протяжённости). Первое окно прозрачности (850 нм) - в офисных оптических сетях.