Характеристика оптоволокон

Существует несколько типов оптических волокон, обладающих различными свойствами. Они отличаются друг от друга зависимостью коэффициента преломления от радиуса центрального волокна. На рис. 6 показаны три разновидности волокна.

Рис. 6. Разновидности оптических волокон, отличающиеся зависимостью коэффициента преломления от радиуса.

Понятие "мода" связано с характером распространения электромагнитных волн. Тип б имеет меньшую дисперсию времени распространения и по этой причине вносит меньшие искажения формы сигнала. Установлено, что, придавая световым импульсам определенную форму (обратный гиперболический косинус), дисперсионные эффекты можно полностью исключить. При этом появляется возможность передавать импульсы на расстояние в тысячи километров без искажения их формы.

Буквой в на рис.6 помечен одномодовый вид волокна. Эта разновидность волокна воспринимает меньшую долю света на входе, зато обеспечивает минимальное искажение сигнала и минимальные потери амплитуды. Следует также иметь в виду, что оборудование для работы с одномодовым волокном значительно дороже.. Центральная часть одномодового волокна имеет диаметр 3-10 μ, а диаметр клэдинга составляет 30-125 μ.

Число мод, допускаемых волокном, в известной мере определяет его информационную емкость. Модовая дисперсия приводит к расплыванию импульсов и их взаимному искажению. Дисперсия зависит от диаметра центральной части волокна и длины волны света.

Очевидно, что, чем больше длина волны, тем меньше число мод и меньше искажения сигнала. Это, в частности, является причиной работы в инфракрасном диапазоне. Но даже для одной и той же моды различные длины волн распространяются по волокну с разной скоростью. Источники излучения, инжектируемого в волокно, имеют конечную полосу частот. Так, светодиоды излучают свет с шириной полосы 35 нм, а лазеры 2-3 нм. Время срабатывания фотодиода ограничивает быстродействие системы. Немалую роль играет и уровень шумов на входе приемника. При этом световой импульс должен нести достаточно энергии (превышающей уровень шума), чтобы обеспечить низкий уровень ошибок.

Поглощение света в волокне происходит по нескольким причинам. Поглощение в собственно стекле волокна падает с частотой, в то время как потери из-за рассеяния на дефектах стекла с увеличением частоты растут. При сгибании волокна поглощение увеличивается. По этой же причине следует избегать малых радиусов изгиба (кроме того, это может привести к разрыву). В результате потери света в волокне обычно лежат в диапазоне 2-5 дБ/км для длин волн 0,8 - 1,8 μ.

Виды оптоволоконных кабелей:

• плоские;
  
• многожильные: в центре кабеля помещается стальной трос, с внешней стороны кабель защищается стальной оплеткой и герметизируется эластичным полимерным покрытием (рис. 6):
  
  Рис. 7. Сечение оптоволоконного кабеля

Одним из критических мест волоконных систем являются сростки волокон и разъемы. Учитывая диаметр центральной части волокна, нетрудно предположить, к каким последствиям приведет смещение осей стыкуемых волокон даже на несколько микрон (особенно в одномодовом варианте, где диаметр центрального ядра менее 10 мкм) или изменение формы сечения волокон.

Соединители для оптических волокон имеют обычно конструкцию, показанную на рис. 8 и изготовляются из керамики.

Рис. 8. Схема оптического коннектора

Потеря света в соединителе составляет 10-20 % (для сравнения: сварка волокон приводит к потерям не более 1-2 %). Существует также техника механического сращивания волокон, которая характеризуется потерями около 10 %.

Оптоволоконные кабели не подвержены воздействию электромагнитных помех. Они обеспечивают защиту данных, т.к. техника ответвлений в оптоволоконных кабелях очень сложна. Вероятность ошибки при передаче по оптическому волокну не превышает 10^-10, что во многих случаях делает ненужным контроль целостности сообщений. Допустимое удаление - более 50 км.

Оптоволоконные линии связи работают в частотном диапазоне 10¹³ - 10¹⁶ Гц, что на 6 порядков выше, чем в случае радиочастотных каналов. Теоретическая пропускная способность оптоволоконного канала - 50000 Гбит/с. Реальная производительность волоконно-оптического кабеля составляет до 10 Гбит/с. Это связано ограниченным быстродействием оборудования, преобразующего оптический сигнал в электрический и обратно.

Хотя этот кабель гораздо дороже и сложнее при монтаже, чем металлические, он часто применяется в центральных магистральных сетях, где возникают электромагнитные поля помех или требуется передача информации на очень большие расстояния без использования повторителей.

По сравнению с медными проводами оптоволоконные кабели несравненно легче. Так, одна тысяча витых пар при длине 1 км весит 8 тонн, а два оптоволокна той же длины, обладающие большей пропускной способностью, имеют вес 100 кг, т.е. в 80 раз меньше. Это обстоятельство открывает возможность укладки оптических кабелей вдоль высоковольтных линий связи путем подвешивания или обкручивания силового проводника.

Заметного удешевления оптических каналов удалось достичь за счет мультиплексирования с делением по длине волны. Эта техника позволяет в 16-32 раза увеличить широкополосность канала из расчета на одно волокно.

На входе канала сигналы с помощью призмы объединяются в одно общее волокно. На выходе с помощью аналогичной призмы эти сигналы разделяются. Число волокон на входе и выходе может достигать 32.