Волоконно-оптические линии связи. Физические основы передачи оптических сигналов.

Преломление светового луча при переходе из более плотной среды n1 в менее плотную n2, (рис. 8.1, а).Углом падения называется угол между перпендикуляром к границе раздела двух сред и падающим лучом (q1). На границе раздела часть света отражается обратно (отражение Френеля). Углом отражения называется угол между перпендикуляром к границе раздела двух сред и отраженным лучом. Оставшаяся часть света пересекает границу раздела, образуя преломленный луч, который распространяется под углом q2. Согласно закону Снеллиуса между углом падения и углом преломления существует соотношение:n1 sin (q1) = n2 sin (q2).

Если угол падения q1, увеличивается, то при определённом его значении преломленный луч полностью исчезает (q2 = 90°). Такой угол называется критическим углом скольжения qc (рис. 8.1, б): qc = arcsin (n2/n1).

При углах, больших критического (рис. 8.1, в), свет полностью отражается и во вторую среду не проникает, а интенсивность отражённого луча равна интенсивности падающего. Это явление называется полным внутренним отражением. Свет при этом оказывается словно заключенным в плотной среде и распространяется в ней, повторяя все ее изгибы. Лучи, идущие под малым углом к границе двух сред, полностью отражаются от нее. Таким образом, оболочка прочно удерживает их, обеспечивая светонепроницаемый канал для передачи сигнала практически со скоростью света. Однако следует иметь в виду, что такой режим распространения может быть нарушен неправильным монтажом, например, слишком малым радиусом изгиба оптоволокна.

а б

в

Оптическое волокно (рис. 8.2) состоит из двух концентрических слоев: сердечника (ядра) и оптической оболочки, имеющих показатели преломления соответственно n1 и n2. Ядро и оптическая оболочка могут быть изготовлены из одного материала (например, особо чистого кварцевого стекла), изменение показателя преломления при этом достигается подбором специальных добавок, вводимых в чистый расплав кварца. Вокруг оптической оболочки в целях предохранения от внешних воздействий, влияющих на оптические свойства оптоволокна (влага, царапины, микротрещины), наносятся два слоя полимера (акрилат). Ядро оптоволокна также может быть изготовлено из стекла, а оптическая оболочка из пластика (PCS-оптоволокно). И, наконец, пластиковое оптоволокно имеет ядро и оболочку из пластика.

Показатель преломления сердечника n1 больше показателя преломления оптической оболочки и n2. Численная разница показателей преломления невелика – порядка одного процента.

Для конкретного оптоволокна используется запись, в которой после численного значения диаметра сердечника через «/» указывается значение диаметра оптической оболочки. Например, оптоволокно для сетевого оборудования фирмы Hirschmann имеет маркировку 62,5/125.

При вводе света внутрь волокна под углом, большим критического, свет, испытывая полное внутреннее отражение, будет двигаться зигзагообразно вдоль сердечника оптоволокна. Лучи, при движении пересекающие ось световода, называются меридиональными. Следует отметить, что часть лучей, называемых косыми (асимметричными), будет двигаться по спиралеобразной траектории, не пересекая ось волокна.

Распределение значений показателя преломления вдоль диаметра поперечного сечения оптического волокна называют профилем показателя преломления. Различают оптические волокна со ступенчатым профилем, когда сердечник и оптическая оболочка имеют однородный (но разный!) показатель преломления, и с градиентным профилем, когда показатель преломления сердечника плавно уменьшается от центра к краям.

В волокне может распространяться ограниченное число типов электромагнитных колебаний, называемых модами. Каждая мода имеет характерные для нее структуру электромагнитного поля, а также фазовую и групповую скорость. Под фазовой скоростью понимается скорость перемещения фазы волны, а групповая скорость определяет скорость переноса энергии электромагнитной волной.

виды дисперсии:

· материальную (молекулярную) дисперсию, обусловленную зависимостью показателя преломления материала световода от длины волны излучения;

· волноводную дисперсию, определяемую длиной волны в оптическом волноводе и фактически зависящую от совокупности таких геометрических параметров оптоволокна, как отклонение от круглой формы сечения, непостоянство диаметра, несоосность ядра и оболочки, непостоянство показателя преломления подлине оптоволокна и т.п.;

· межмодовую (модовую) дисперсию, являющуюся результатом различной скорости распространения мод в многомодовом волокне.

Различают одномодовый и многомодовый режимы работы волоконно-оптических линий связи. Условием одномодового режима, в котором по оптоволокну распространяется одна основная мода, является выполнение неравенства: F=(2П*NA*r/λ) < Fотс.. (8.3)

Здесь λ – рабочая длина волны, r – радиус сердечника, F – нормированное значение рабочей частоты, Fотс. – нормированное значение частоты отсечки (частоты, соответствующей предельному значению длины волны данной моды). Величина Fотс. = 2,405 для световодов со ступенчатым профилем и Fотс.= 3,53 в случае параболического профиля.

Величину NA можно найти из выражения: NA=

Здесь n1 и n2 - показатели преломления сердечника и оптической оболочки.

Если неравенство (8.3) не выполняется, в световоде устанавливается многомодовый режим. В этом случае число мод приблизительно равно N = /2 для световода со ступенчатым профилем и N = /4 в случае градиентного профиля.

Одномодовое волокно по сравнению с многомодовым имеет существенно меньший коэффициент затухания и большую пропускную способность (на сегодняшний день по грубой оценке более 10 Гбит/с против 2,5 Гбит/с), но само одномодовое волокно, а также соответствующие приёмники и передатчики стоят дороже, чем многомодовые.

Потери оптической мощности (или затухание) являются результатом поглощения света материалом световода, рассеяния в местах микро- и макроизгибов, а также отражения на концах световода. Коэффициент затухания, отражающий потери оптической мощности, обозначается a и измеряется в дБ/км. Величину потерь оптической мощности в оптоволокне можно рассчитать из соотношения, носящего название закона Бугера: =

Здесь: – величина потерь мощности на длине L, – величина введенной мощности.

Медиаконвертер – устройство, позволяющее передавать данные из одной среды в другую. Такой механизм позволяет связать между собой удаленные объекты на базе оптоволоконных соединений.
Принцип работы устройства
Медиаконвертер – сетевое устройство, предназначенное для организации системы передачи пакетных данных из одной среды в другую. Благодаря таким устройствам возможно создавать системы громадной напряженности. Медиаконвертеры способны преобразовывать среду прохождения сигнала. Самой распространенной средой является медь и все, что из нее создано – световое волокно, медные провода и оптические кабели, в которых используется принцип передачи сигнала по витой паре и волоконно-оптической линии связи.
Предприятия и организации, желающие увеличить свою сеть, очень часто применяют медиаконвертеры. В первую очередь таким недорогим способом можно связать между собой удаленные отделы и структуры на базе оптоволоконных соединений, что в конечном итоге увеличит пропускную способность и число конечных пользователей. Медиаконвертеры позволяют недорого модернизировать локальную сеть, которая все еще работает на базе медных кабелей без необходимости полной модернизации.

Классификация медиаконвертеров
Медиаконвертеры незаменимы в случаях, когда требуется передать данные на большие расстояния. К примеру, если необходимо организовать систему IP-видеонаблюдения на площади в несколько км² и обеспечить передачу видеоизображения и звука с IP-видеокамер на пост видеонаблюдения, расположенный в некотором удалении.
Признаки, по которым классифицируются данные устройства:
1. Управляемость. Медиаконвертеры могут быть управляемыми и неуправляемыми. Неуправляемый тип настроить нельзя – он работает в автоматическом режиме. В некоторых случаях его можно превратить в управляемый, установив шасси. Вторым типом можно управлять при помощи веб-интерфейса и протокола SNMP.
2. Используемый стандарт медного порта. Может быть выбран один из трех стандартов режима работы, каждый из которых обеспечивает различную скорость передачи данных.
3. Используемый стандарт оптического порта. Здесь также можно выбрать один из четырех стандартов режима работы, каждый из которых предусматривает использование разных разъемов. К примеру, разъем ST подходит для многомодового волокна, а разъем FC – для одномодового. Разъемы SC и LC пользуются наибольшей популярность, т.к. могут использоваться как для одномодового, так и для многомодового волокон и имеют различия только в размерах.