Волоконно-оптические линии связи

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) [3,6,11] имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с линиями связи на ос­нове металлических кабелей. К ним относятся: большая пропуск­ная способность, малое затухание, малые масса и габариты, высо­кая помехозащищенность, надежная техника безопасности, прак­тически отсутствующие взаимные влияния, долговечность, малая стоимость из-за отсутствия в конструкции цветных металлов.

Конечно, ВОЛС обладают рядом недостатков:

• при создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрические сигналы в оптическое излучение и обратно, а также оптические соединители (коннекто­ры) с малым затуханием и большим ресурсом на подключение-отключение; точность изготовления таких элементов линии связи должна быть очень высока, поэтому их производство дорого­стоящее;

• для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а по­тому дорогое технологическое оборудование;

• при обрыве оптического кабеля затраты на восстановление вы­ше, чем при использовании кабелей с металлическими провод­никами.

Преимущества ВОЛС настолько значительны, что, несмотря на перечисленные недостатки, эти линии связи очень широко ис­пользуются на практике.

В ВОЛС применяют электромагнитные волны оптического диапазона. Напомним, что видимое оптическое излучение лежит в диапазоне длин волн З80...760нм. Практическое применение в ВОЛС получил инфракрасный диапазон, т.е. излучение с длиной волны более 760 нм.

Оптическое волокно (ОВ) изготавливается из недорогого ма­териала - кварцевого стекла в виде цилиндров с совмещенными осями и различными коэффициентами преломления. Внутренний цилиндр называется сердцевиной (Core), а внешний слой - обо­лочкой (Cladding). Принцип распространения оптического излуче­ния вдоль оптического волокна основан на отражении от границы сред с разными показателями преломления (рис. 6.7).

Угол полного внутреннего отражения, называемый также критическим, при котором падающее на границу двух сред излу­чение полностью отражается без проникновения во внешнюю сре­ду, определяется соотношением где n₁- пока­затель преломления сердцевины; n₂-показатель преломления оболочки, причем n₁>n₂. Излучение должно вводится в волокно под углом к оси, меньшим θ_кр.

В зависимости от вида профиля показателя преломления сердцевины различают ступенчатые и градиентные ОВ. У сту­пенчатых ОВ показатель преломления сердцевины постоянен (рис.6.8,а). У градиентных ОВ показатель преломления сердце­вины плавно меняется вдоль радиуса от максимального значения на оси до значения показателя преломления оболочки (рис. 6.8, б).

В ОВ может одновременно существовать несколько типов волн (мод). В зависимости от модовых характеристик ОВ со сту­пенчатым профилем преломления делятся на два вида: многомо-довые и одномодовые.

Количество мод зависит от значения нормированной частоты

λ - рабочая дли­на волны. Одномодовый режим реализуется при V<2,405. Заранее определенными и сравнительно малыми величинами являются ра­бочая длина волны и разность показателей преломления δ_n=n₁-n₂. Обычно ОВ изготавливают с δn=0,003...0,05. Поэтому диаметр сердцевины одномодовых волокон также небольшой и составляет 5...15 мкм (обычно 9 или 10). Для многомодовых волокон диаметр сердцевины около 50 мкм (обычно 50 или 62,5). Диаметр оболочки у всех типов ОВ 125 мкм. Диаметр защитного покрытия 500 мкм. Наружный диаметр кабеля с числом ОВ от 2...32 с учетом всех за­щитных оболочек и элементов обычно составляет 5...17 мм.

Затухание ОВ определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, потери на рассеяние - от неодно­родности показателя преломления материала.

Затухание ОВ неоднородно для разных длин волн. Зависи­мость коэффициента затухания а ОВ от рабочей длины волны приведена на рис.6.9. Данная зависимость имеет три минимума, называемые окнами прозрачности. Исторически первым было ос­воено первое окно прозрачности на рабочей длине волны 0,85 мкм. Первые полупроводниковые излучатели (лазеры и светодио-ды) и фотоприемники были разработаны именно для данной дли­ны волны. Коэффициент затухания в первом окне значителен и составляет единицы децибелов на километр (дБ/км). Позднее бы­ли созданы излучатели и фотоприемники, способные работать на больших длинах волн (1,3 и 1,55 мкм). Современные системы связи обычно используют второе или третье окно с малыми коэффици­ентами затухания. Современная технология позволяет получить ОВ с коэффициентом затухания порядка сотых долей децибела на километр.

Другой важнейший параметр оптического волокна - диспер­сия - рассеяние во времени спектральных и модовых составляю­щих оптического сигнала. Существуют три типа дисперсии:

• модовая дисперсия присуща многомодовому волокну и обуслов­лена наличием большого числа мод, время распространения ко­торых различно;

• материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны;

• волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.

Поскольку источники оптического излучения излучают некото­рый спектр длин волн (светодиоды-15...80 нм; лазеры-0,1...4 нм), дисперсия приводит к уширению импульсов при распространении по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. Уширение

определяется как - длительность импульса

соответственно на входе и выходе ОВ. Единицей измерения уширения является наносекунда на километр (нс/км). При оценке поль­зуются термином «полоса пропускания», ΔF≈1/τ - это величина, обратная уширению импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния 1 км. Полоса пропускания измеряется в мега­герц-километрах (МГц•км). Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность свя­зи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.

Если при распространении света по многомодовому волокну как правило преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну присущи только два последних типа дисперсии. На длине волны 1,3 мкм материальная и волноводная дисперсии в одномо-довом волокне компенсируют друг друга, что обеспечивает наи­высшую пропускную способность.

Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны. Одномодовые волокна обладают лучшими характери­стиками по затуханию и по полосе пропускания. Однако одномодо­вые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых раз­меров ОВ, по этой же причине сращивание одномодовых волокон сложно осуществить с малыми потерями. Монтаж оптических разъ­емов для одномодовых кабелей также обходится дороже.

Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как размер сердцевины в них в несколько раз больше, чем в одномо­довых волокнах. Проще получается монтаж оптических разъемов для многомодового кабеля с малыми потерями (до 0,3 дБ) на сты­ке. На многомодовое волокно рассчитаны излучатели на длину волны 0,85 мкм-доступные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон находится в пределах 3...4 дБ/км и не может быть существенно улучшено. Полоса пропускания у много­модовых волокон достигает 800 МГц-км, что приемлемо для ло­кальных сетей связи, но недостаточно для магистральных линий. Полоса пропускания у одномодовых волокон может достигать 5000 МГц-км.

Сегодня в мире существует несколько десятков фирм, произ­водящих волоконно-оптические кабели (ВОК) различного назначе­ния. Определяющими параметрами при производстве ВОК явля­ются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи. Основные требования к ВОК сформулированы в рекомендациях ITU-T серии G.650.

По условиям эксплуатации кабели подразделяют на монтаж­ные, станционные, зоновые и магистральные. Первые два типа кабелей предназначены для прокладки внутри зданий и сооруже­ний. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую строительную длину. Кабели последних двух типов предназначены

Рис. 6.10. Пример конструкции оптического кабеля:

1 - ОВ, 2 - полиэтиленовая трубка, 3 – силовой элемент,

4 и 5 - соответственно внутренняя и внешняя полиэтиленовые оболочки

для прокладки в колодцах кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти кабели име­ют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух кило­метров.

Для обеспечения большой пропускной способности линии свя­зи производятся ВОК, содержащие небольшое число (до восьми) одномодовых волокон с малым затуханием, а кабели для распре­делительных сетей могут содержать до 144 волокон, как одномо­довых, так и многомодовых, в зависимости от расстояний между

сегментами сети.

При изготовлении ВОК в основном используются два подхода:

• конструкции со свободным перемещением элементов;

• конструкции с жесткой связью между элементами.

Существуют многочисленные комбинации конструкций ВОК, которые в сочетании с большим ассортиментом применяемых ма­териалов позволяют выбрать исполнение кабеля, наилучшим об­разом удовлетворяющее всем условиям проекта, в том числе стоимостным. На рис.6.10 приведен пример конструкции оптическо­го кабеля.

Сращивание строительных длин оптических кабелей произво­дится с помощью кабельных муфт специальной конструкции.