1.    
  2.    
  3.     Як працює оптоволокно

Як працює оптоволокно

А. Р. Белл у 1880 році запатентував фотофон – прилад для передачі голосу за допомогою світлового сигналу з селеновим фотодетектором. Перші комерційні телефонні системи були створені лише в 1977 році і працювали зі швидкістю 44,7 Мбіт/с. Одномодові волоконні кабелі почали вироблятися в 1983 році.

У 1990 році Лінн Моллинер (Bellcore) продемонстрував передачу даних зі швидкістю 2,5 Гбіт/с на відстань 7500 км (без проміжних підсилювачів сигналу) В 1990 році в США сумарна протяжність оптичних волокон становила близько 9000000 км.

У 2000 році загальна довжина оптоволокон тільки в США перевищила 30 мільйонів кілометрів. Оптоволоконні лінії зв’язку працюють в частотному діапазоні 1013 – 1016Гц, що на 6 порядків більше, ніж у випадку радіочастотних каналів (це забезпечує пропускну здатність 50000 Гбіт/c). Але земна атмосфера є поганою середовищем для поширення світла. З цієї причини тільки розробка кремнієвих волокон з низьким коефіцієнтом поглинання в інфрачервоному діапазоні (< 0,2 дБ/км) зробило можливим широке розповсюдження оптичних каналів зв’язку. Укладається ~1000км оптоволоконного кабелю в день. В даний час канали зазвичай мають пропускну здатність ~1гбіт/c і це пов’язано з обмеженим швидкодією обладнання, що перетворює оптичний сигнал в електричний і назад. У найближчі роки слід очікувати збільшення швидкодії таких пристроїв у 100-1000 разів. Враховуючи, що

Df = (cDl)/l2, де з – швидкість світла, f – частота, а l – довжина хвилі.

Для найбільш популярного діапазону l = 1,3 m і Dl = 0,17 m ми маємо Df = ~30ТГц.

В 2002 році компанією Zonu розроблений фототрансивер (GBIC) на 1,25 Гбіт/с для передачі та прийому даних по одному і тому ж волокну при довжині хвилі 1310 нм. Для одномодового волокна відстань передачі може становити до 10 км При довжині хвилі 1550 нм досяжно відстань передачі в 40 км. Розробляється варіант для швидкостей передачі 2,5 Гбіт/c

Оптоволоконне з’єднання гарантує мінімум шумів і високу безпеку (практично майже неможливо зробити відвід). Пластикові волокна застосовуються при довжинах з’єднань не більше 100 метрів і при обмеженому швидкодії (менше 50 МГц). Останнім часом (2006-7г) розроблені пластикові волокна, придатні для передачі зі швидкістю 40 Гбіт/c при довжині кабелю 30м зі швидкістю 5,35 Гбіт/c при довжині кабелю 220м (Lightware N4 2007). Імовірність помилки при передачі по оптичному волокну становить < 10-10, що у багатьох випадках робить непотрібним контроль цілісності повідомлень.

При побудові мереж використовуються багатожильні кабелі (існують і інші різновиди кабелю: наприклад, двох – або четырехжильные, а також плоскі). У верхній частині малюнка [a] зображено окреме оптоволокно, а в нижній [Б] переріз восьмижильного оптичного кабелю. Світло (довжина хвилі l ~ 1350 1500 нм) вводиться в оптоволокно (діаметром d < 100m) з допомогою світло випромінюючого діода чи напівпровідникового лазера. Центральне волокно покривається шаром (клэдинг, 1А), коефіцієнт заломлення якого менше ніж у центрального ядра (стрілками умовно показаний хід променів світла в волокні). Для забезпечення механічної міцності ззовні волокно покривається полімерним шаром (2А). Кабель може містити багато волокон, наприклад 8 (1Б). У центрі кабелю поміщається сталевий трос (3Б), який використовується при прокладанні кабелю. З зовнішньої сторони кабель захищається (від щурів!) сталевий опліткою (2Б) і герметизується еластичним полімерним покриттям.

Перетин оптоволоконного кабелю

Існує кілька типів оптичних волокон, що володіють різними властивостями. Вони відрізняються один від одного залежністю коефіцієнта заломлення від радіуса центрального волокна. На рис. 3.2.2 показані три різновиди волокна (А, Б і В). Літерами А і Б позначений мультимодовый вид волокон. Тип Б має меншу дисперсію часу поширення і з цієї причини вносить менші спотворення форми сигналу. Встановлено, що, надаючи світловим імпульсом певну форму (зворотній гіперболічний косинус), дисперсійні ефекти можна повністю виключити. При цьому з’являється можливість передавати імпульси на відстань у тисячі кілометрів без спотворення їх форми. Такі імпульси називаються солитонами. При сучасних технологіях необхідно використовувати повторювачі через кожні 30 км (проти 5 км для мідних проводів). У порівнянні з мідними проводами оптоволоконні кабелі незрівнянно легше. Так одна тисяча скручених пар при довжині 1 км важить 8 тонн, а два волокна тієї ж довжини, що володіють більшою пропускною здатністю, мають вагу 100кг. Ця обставина відкриває можливість укладання оптичних кабелів уздовж високовольтних ліній зв’язку, підвішуючи або обвиваючи їх навколо провідників. Різновиди оптичних волокон, що відрізняються залежністю коефіцієнта заломлення від радіуса

Буквою В позначений одномодовий вид волокна (поняття мода пов’язана з характером поширення електромагнітних хвиль). Мода являє собою одне з можливих рішень рівняння Максвелла. У спрощеному вигляді можна вважати, що мода – це одна з можливих траєкторій, за якою може поширюватися світло в волокні.

Чим більше мод, тим більше дисперсійні спотворення форми сигналу. Одномодовое волокно дозволяє отримати смугу пропускання в діапазоні 50-100 ГГц-км. Типове значення модової дисперсії лежить в межах від 15 до 30 нсек/км.

Ця різновид волокна сприймає меншу частку світла на вході, за те забезпечує мінімальне спотворення сигналу і мінімальні втрати амплітуди. Слід також мати на увазі, що обладнання для роботи з одномодовим волокном значно дорожче. Центральна частина одномодового волокна має діаметр 3-10 м, а діаметр клэдинга становить 30-125 m. Кількість мод, що допускаються волокном, певною мірою визначає його інформаційну ємність. Модовая дисперсія призводить до розпливання імпульсів і їх наезжанию один на одного. На поляризаційну модовую дисперсію впливають порушення кругової симетрії, механічне напруження, стиснення, вигин і скручування волокна. Всі ці фактори виявляються суттєвими при переході на швидкості передавання 10 Гбіт/c або вище. Дисперсія залежить від діаметра центральної частини волокна і довжини хвилі світла. Число мод n одно для волокна типу А:

де d – діаметр центральної частини (ядра), a – числова апертура волокна, а l – довжина хвилі. Волокно з діаметром центральній частині волокна 50 m підтримує 1000 мод. Для волокна типу Б (рис. 3.2.2) значення n в два рази менше. Числова апертура А дорівнює , де n1 (~1,48) і n2 (~1,46), відповідно, коефіцієнти заломлення ядра і клэдинга. Величина А визначає ширину вхідного конуса волокна q (тілесний кут захоплення вхідного випромінювання) q= arcsinA (~3,370).

Очевидно, що чим більше довжина хвилі, тим менше число мод і менше спотворення сигналу. Це, зокрема, є причиною роботи в довгохвильовому інфрачервоному діапазоні. Але навіть для однієї і тієї ж моди різні довжини хвиль поширюються по волокну з різною швидкістю. Волокно з плавним профілем показника заломлення має дисперсію 1 нсек/км і менше. Це, зокрема, пов’язано з тим, що світло в перефірійних областях волокна з більшою довжиною траєкторії рухається швидше (адже там менше коефіцієнт заломлення). Одномодовий режим реалізується тоді, коли довжина хвилі вета стає порівнянної з діаметром ядра волокна. Довжина хвилі, при якій волокно стає одномодовим, називається пороговою. Волокно з діаметром 50 мікрон може підтримувати до 1000 мод.

На відміну від багатомодового волокна, в одномодовому – випромінювання присутня не тільки всередині ядра. З цієї причини підвищуються вимоги до оптичним властивостям клэдинга. Для багатомодового волокна вимоги до прозорості клэдинга дуже помірні.

Загасанням зазвичай називається ослаблення сигналу в міру його руху по волокну. Воно вимірюється в децибелах на кілометр і варіюється від 300 дБ/км для пластикових волокон до 0,21 дБ/км – для одномодових волокон. Смуга пропускання волокна визначається дисперсією. Наближено смугу пропускання одномодового волокна можна оцінити за формулою.

BW = 0,187/(Disp*SW*L),
де Disp – дисперсія на робочій довжині хвилі в сек на нм і на км;
SW – ширина спектра джерела в нм;M
L – довжина волокна в км;

Якщо діаметр джерела світла не відповідає діаметру ядра волокна, то втрати світла, пов’язані з геометричним неузгодженістю можуть бути охарактеризовані наступною формулою.

Потеридиам = 10log10(Диаметрволокна/Диаметристочника)2

Втрат немає, коли волокно має діаметр більше діаметра джерела світла. Якщо числова апертура джерела більше апертури волокна, то втрати світла складуть:

Потеридиам = 10log10(Аволокна/Аисточника)2

Крім дисперсії швидкодію оптичного каналу обмежується шумами. Шуми мають дві складові: осипу і тепловий шум. Дробовий шум визначається співвідношенням:

isn2= 2eiB, де е – заряд електрона, i – середній струм, що протікає через приймач, і В – ширина смуги пропускання приймача. Типове значення дробового шуму становить 25 при температурі 25 градусів Цельсія. Тепловий шум характеризується співвідношенням:

isn2=(4kTB)/RL, де k – постійна Больцмана, Т – температура за шкалою Кельвіна, В – ширина смуги пропускання приймача, RL – опір навантаження. При смузі в 10 МГц і температурі 298 0К ця складова шуму дорівнює 18. Однією з складових теплового шуму є темновий струм, який зростає на 10% при зростанні температури на 1 градус.

Чутливість приймача задається квантовою ефективністю, яка характеризує відношення числа первинних електронно-діркових пар до числа падаючих на детектор фотонів. Цей параметр часто виражається у відсотках (рідше в амперах на люмен). Так, якщо на кожні 100 фотонів припадає 60 пар електрон-дірка, то квантова ефективність дорівнює 60%. Чутливість фотодетектора R може бути обчислена на основі квантової відчуваєтвительности. R= (nel)/hc, де е – заряд електрона, h – постійна Планка, с – швидкість світла, l – довжина хвилі, а n – квантова чутливість.

Джерела випромінювання інжектіруемих у волокно мають кінцеву смугу частот. Так світловипромінюючі діоди, що випромінюють світло з шириною смуги 35 нм, а лазери 2-3 нм (лазери мають, крім того, більш вузьку діаграму спрямованості, ніж діоди).

Час наростання фотодіода обмежує швидкодію системи. Не малу роль грає і рівень шумів на вході приймача. При цьому світловий імпульс повинен нести достатньо енергії (помітно більше рівня шуму), щоб забезпечити низький рівень помилок.

Поглинання світла в волокні відбувається з кількох причин. Поглинання власне склі волокна падає з частотою, в той час як втрати через розсіяння на дефектах скла (релеевское розсіяння) із збільшенням частоти зростає. При згинанні волокна поглинання збільшується. З цієї причини слід уникати малих радіусів вигину (крім усього іншого це може призвести і до обриву). В результаті втрати світла в волокні зазвичай лежить в діапазоні (2-5) дБ/км для довжин хвиль 0,8 – 1,8 m. Залежність поглинання світла в волокні від довжини хвилі показана на рис. Використовуються діапазони позначені на малюнку зеленим кольором. Всі ці діапазони мають ширину 25000-30000 ГГц.

При прокладанні трас слід також проявляти обачність і обережність. Так в ИТЭФ кілька років тому між двома будівлями був прокладений 8-волоконний кабель. На одній з дільниць не було готових кабельних каналів, і ми проклали його по повітрю, підвісивши до тросу з нержавіючої сталі. Кабель був нами оброблений, померено загасання сигналу (частки децибела) і близько півтора років він працював без зауважень. Потім ми виявили втрату сигналу в одному з волокон і були змушені перевести сигнал на одну з резервних. Через деякий час відмовило і воно. Спочатку ми припустили погану закладення кабелю, потім грішили на не дуже хорошу прокладку кабелю на першому поверсі одного з будинків (радіус вигину був близько півметра). Врешті-решт, нам довелося запросити знайомих фахівців з управління перспективних технологій з рефлектометром, які вказали, що має місце обрив в 66 метрів від точки оброблення кабелю. Що ж виявилося?

Виявити причину було непросто, навіть маючи достатньо точне вказівку. Обрив був на висоті близько 4 м і з землі не видно. В одному місці в 30-40 см від троса перебував стовбур тополі, який при вітрі з нього бив. Трос переміщався в горизонтальній площині. З однією з сторін, де кабель йшов з троса вниз, він огинав болт. При монтажі ця частина кабелю була поміщена в сталевий рукав, але в процесі розгойдування троса рукав сповз вниз. Різьблення болта працювала як пила, спочатку була пошкоджена ізоляція, потім сталева обплетення і, нарешті, були обірвані волокна одне за іншим (4 з 8). Подальше руйнування призупинив центральний вбудований оптичний кабель сталевий трос. На цю руйнівну “роботу” пішло більше року, адже сильний вітер дме не кожен день, так і перепиляти сталеву дріт захисної обплетення не просте завдання. Довелося запросити фахівців, які усунули обрив, зваривши волокна заново. Сподіваюся, що наш негативний досвід виявиться корисним для інших. Залежність поглинання світла в волокні від довжини хвилі

В даний час стандартизовано 6 диапахонов довжин хвиль. Назва діапазону Характеристика Інтервал довжин хвиль ОИсходный1260-1360 нм ЕРасширенный1260-1460 нм ЅКоротковолновый1460-1530 нм ССтандартный1460-1530 нм LДлинноволновый1565-1625 нм UУльтрадлинноволновый1625-1675 нм

З малюнка видно, що мінімуми поглинання припадають на 1300 і ~1500 нм, що і використовується для цілей телекомунікацій. При довжині хвилі 1300 нм дисперсія швидкостей поширення різних довжин хвиль мінімальна. Діапазон ~850 нм характеризується високим поглинання, але він привабливий тим, що як лазери, так і електроніка можуть бути виготовлені з одного матеріалу (арсеніду галію). Використовуються оптичні діапазони виділені зеленим кольором.

Залежність дисперсії від довжини хвилі

З малюнка видно, що в області нижче 1300 нм більш довгі хвилі рухаються швидше коротких. Для довжин хвиль >1300нм має місце зворотна ситуація – більш довгі хвилі рухаються повільніше коротких. Для одномодових волокон визначальний внесок у спотворення вноситься дисперсією швидкостей розповсюдження, для багатомодових основний внесок вносить модовая дисперсія.

Залежність смуги пропускання волокна від його довжини

Одним з критичних місць волоконних систем є зростки волокон і роз’єми. Враховуючи діаметр центральної частини волокна, неважко уявити, до яких наслідків призведе зміщення осей з’єднуваних волокон навіть на кілька мікрон (особливо в одномодовому варіанті, де діаметр центрального ядра менше 10 мікрон) або деформація форми перерізу волокон.

З’єднувачі для оптичних волокон мають зазвичай конструкцію, показану на рис., і виготовляються з кераміки. Втрата світла в з’єднувачі становить 10-20%. Для порівняння зварювання волокон призводить до втрат не більше 1-2%. Існує також техніка механічного зрощування волокон, яка характеризується втратами близько 10% (splice). Оптичні атенюатори для оптимального узгодження динамічного діапазону оптичного сигналу та інтервалу чутливості вхідного пристрою являють собою тонкі металеві шайби, які збільшують зазор між волокном кабелю і приймачем. Схема оптичного роз’єму

Якщо довжина волокна повинна бути велика через відстані, яку потрібно перекрити, а споживачів по дорозі немає, доводиться ставити проміжні підсилювачі сигналу (присутність ЕОМ необов’язково).

Проміжний підсилювач волоконний

З використанням оптичних волокон можна створювати не тільки кільцеві структури. Можливо побудова фрагмента мережі, за характером зв’язків еквівалентного кабельного сегменту або хабу. Схема такого фрагмента мережі представлена на рис. (хаб пасивний-концентратор). Базовим елементом цієї субсети є прозорий циліндр, на один з торців якого підключаються вихідні волокна всіх передавачів інтерфейсів пристроїв, складових субсеть. Сигнал з іншого торця через волокна надходить на вхід фото приймачів інтерфейсів. Таким чином, сигнал, переданий одним із інтерфейсів, надходить на вхід всіх інших інтерфейсів, підключених до цієї субсети. При цьому втрати світла складають 2С + S + 10*log(N), де С – втрати в роз’ємі, S – втрати в пасивному разветвителе, а N – число оптичних каналів (N може досягати 64). Сучасні мікросхеми прийомо-передавачів (корпус DIP) мають вбудовані роз’єми для оптичного кабелю (62,5/125мкм або 10/125 мкм). Деякі з них (наприклад, ODL 200 AT&T) здатні здійснювати перемикання на обхідний оптичний шлях (bypass) при відключенні живлення. Схема пасивного оптичного хаба

Останнім часом помітного здешевлення оптичних каналів вдалося досягти за рахунок мультиплексування з поділом за довжиною хвилі. За рахунок цієї техніки вдалося 16-160 разів збільшити широколосность каналу з розрахунку на одне волокно. Схема мультиплесирования показана на рис. На вході каналу сигнали за допомогою призми об’єднуються в одне загальне волокно. На виході з допомогою аналогічної призми ці сигнали розділяються. Число волокон на вході і виході може досягати 32 і більше (замість призм останнім часом використовуються мініатюрні дзеркала, де застосовується 2D-розгортка (або 3D)по довжині хвилі). Розробка технології одержання особливо чистого матеріалу волокон дозволила раширить смугу пропускання одномодового волокна до 100 нм (для волокон з l =1550нм). Смуга одного каналу може лежати в діапазоні від 2 до 0,2 нм. Ця технологія найближчим часом розширить швидкість передачі даних по одному волокну з 1 до 10 Тбіт/с. Мультиплексування з поділом за довжиною хвилі в оптичному волокні

Схема багатоканального мультиплексування з поділом за довжиною хвилі в оптичному волокні. TE – термінальне обладнання; L – лазер; M/D – оптичний мультиплексор-демультиплексор

Схема перенаправлення оптичних інформаційних потоків (RINGrid-WP3-D3_1-JKU. State of the art in Networks and Grid Infrastructures. Contract no. 031891)

Для здійснення необхідної маршрутизації часто буває потрібно в комутаційному сайті змінити довжину хвилі потоку. Схема цієї операції показана на рис. 3.2.11 (a) OADM – (optical adddrop multiplexer), (b) OXC – (optical cross-connect) – оптична комутація , (c) OXC зі зміною довжини хвилі.

Схема перенаправлення оптичних інформаційних потоків зі зміною довжини хвилі і без (RINGrid-WP3-D3_1-JKU. State of the art in Networks and Grid Infrastructures. Contract no. 031891)

 

23.11.2016

Написати коментар