Как передается информация по оптоволокну. Волоконно-оптическая связь. Принципы передачи сигналов по оптическому волокну и основные параметры оптических волокон

Способы передачи сигналов различного типа, данных и команд управления по оптоволоконным линиям связи начали активно внедряться в последнее десятилетие прошедшего века. Однако достаточно долго они не могли составить серьезной конкуренции (по крайней мере, в сегменте ТСБ) коаксиальному кабелю и витой паре. Несмотря на такие недостатки, как высокие сопротивление и емкость, что существенно ограничивает дальность передачи сигнала, коаксиальный кабель и витая пара превалировали в системах безопасности. Сегодня ситуация начинает меняться, причем рискну утверждать, что перемены эти кардинальные. Нет, в небольших системах, где видео и сигналы управления требуется передавать на небольшие расстояния, коаксиальный кабель и витая пара по-прежнему незаменимы. В крупных и особенно распределенных системах у оптоволокна альтернативы практически нет.
Дело в том, что оптоволоконное оборудование сегодня стало гораздо доступнее по цене и тенденция к его дальнейшему удешевлению достаточно устойчива.
Так что волоконная оптика в настоящее время дает возможность предложить заказчику систем безопасности не только надежное, но и экономически выгодное решение. Использование светового луча для передачи сигнала, широкая полоса пропускания позволяют передавать сигнал высокого качества на значительные расстояния без использования усилителей и повторителей.
Основными преимуществами использования волоконной оптики, как известно, являются:
– более широкая полоса пропускания (до нескольких гигагерц), чем у медного кабеля (до 20 МГц);
– невосприимчивость к электрическим помехам, отсутствие «земляных петель»;
– низкие потери при передаче сигнала, ослабление сигнала составляет около 0,2–2,5 дБ/км (для коаксиального кабеля RG59 – 30 дБ/км для сигнала 10 МГц);
– не вызывает помех в соседних «медных» или других оптоволоконных кабелях;
– большая дальность передачи;
– повышенная безопасность передачи данных;
– хорошее качество передаваемого сигнала;
– оптоволоконный кабель миниатюрен и легок.

Принцип работы оптоволоконной линии
Волоконная оптика -–технология, в которой в качестве носителя информации используется свет, и не важно, о каком типе информации идет речь: аналоговом или цифровом. Обычно используется инфракрасный свет, а средой передачи служит стекловолокно.
Оптоволоконное оборудование может использоваться для передачи аналогового или цифрового сигнала различных типов.
В простейшем варианте исполнения оптоволоконная линия связи состоит из трех компонентов:
– волоконно-оптического передатчика для преобразования входного электрического сигнала от источника (например, видеокамеры) в модулированный световой сигнал;
– оптоволоконной линии, по которой световой сигнал передается на приемник;
– волоконно-оптического приемника, преобразующего сигнал в электрический, практически идентичный сигналу источника.
Источником распространяемого по оптическим кабелям света является светодиод (LED) (или полупроводниковый лазер – LD). На другом конце кабеля принимающий детектор преобразует световые сигналы в электрические. Волоконная оптика опирается на особый эффект – преломление при максимальном угле падения, когда имеет место полное отражение. Это явление происходит в том случае, когда луч света выходит из плотной среды и попадает в менее плотную среду под определенным углом. Внутренняя жила (нить) оптоволоконного кабеля имеет более высокий показатель преломления, чем оболочка. Поэтому луч света, проходя по внутренней жиле, не может выйти за ее пределы из-за эффекта полного отражения (рис. 1).Таким образом, транспортируемый сигнал идет внутри замкнутой среды, проделывая путь от источника сигнала до его приемника.
Остальные элементы кабеля лишь предохраняют хрупкое волокно от повреждений внешней средой различной агрессивности.

Стань участником Партнерской программы «Актив-СБ» и вы получите:

Рассрочку платежа на складские позиции (при условии предоставления полного пакета документов);

Размещение компании в разделе "Монтаж", при закупке оборудования ежемесячно на сумму более 100 000 руб;

Кэшбэк по Бонусной программе в размере до 5% от суммы покупок

Рис. 1 Волоконная оптика основывается на эффекте полного отражения

Физические параметры оптических волокон
Все распространенные типы волокон характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией.
Различают модовую и материальную дисперсии – искажения сигнала, вызванные особенностями распространения световых волн в среде.
Материальная дисперсия вызвана тем, что волны различной длины распространяются с различной скоростью, что связано с особенностями физического строения волокна. Данный эффект особенно заметен при использовании одномодового волокна. Уменьшение ширины полосы излучения источника и выбор оптимальной длины волны приводит к уменьшению материальной дисперсии.
Модовая дисперсия проявляется в многомодовом волокне из-за разницы длин путей, проходимых лучами различных мод. К ее уменьшению приводит уменьшение диаметра сердечника волокна, сокращение числа мод и применение волокна с градиентным профилем.
Затухание сигнала в оптоволоконном кабеле зависит от свойств материала и от внешних воздействий. Затухание характеризует потерю мощности передаваемого сигнала на заданном расстоянии, и измеряется в дБ/км, где децибел – логарифмическое выражение отношения мощности, выходящей из источника Р1, к мощности, входящей в приемник Р2, дБ = 10*log(P1/P2). Потери в 3 дБ означают, что половина мощности потеряна. Потеря 10 дБ означает, что только 1/10 мощности источника доходит до приемника, потери 90%. Волоконно-оптические линии, как правило, способны нормально функционировать при потерях в 30 дБ (прием всего 1/1000 мощности).
Есть два принципиально различных физических механизма, вызывающих данный эффект. Потери на поглощение. Связаны с преобразованием одного вида энергии в другой. Электромагнитная волна определенной длины вызывает в некоторых химических элементах изменение орбит электронов, что, в свою очередь, ведет к нагреву волокна. Естественно, что процесс поглощение волны тем меньше, чем меньше ее длина и чем чище материал волокна.
Потери на рассеяние. Причина снижения мощности сигнала в этом случаезначает выход части светового потока из волновода. Обусловлено это неоднородностями показателя преломления материалов. И с уменьшением длины волны потери рассеивания возрастают.

Рис. 2 Окна прозрачности оптических волокон

В теории лучших показателей общего затухания можно достичь на пересечении кривых поглощения и рассеивания. Реальность несколько сложнее и связана с химическим составом среды. В кварцевых волокнах (SiO2) кремний и кислород проявляют активность на определенной длине волны и существенно ухудшают прозрачность материала в двух окрестностях.
В итоге образуются три окна прозрачности (рис. 2), в рамках которых затухание имеет наименьшее значение. Самые распространенные значения длины волны:
0,85 мкм;
1,3 мкм;
1,55 мкм.
При аналоговой передаче чаще используются длины волн – 850 и 1310 мкм.
Именно под такие диапазоны разработаны специальные гетеролазеры, на которых основываются современные ВОЛС (волоконно-оптические системы связи).
В настоящее время оптоволокно с такой характеристикой уже считается устаревшим. Достаточно давно освоен выпуск оптоволокна типа AllWave ZWP (zero water peak, с нулевым пиком воды), в котором устранены гидроксильные ионы в составе кварцевого стекла. Такое стекло имеет уже не окно, а проем в диапазоне от 1300 до 1600 нм.
Все окна прозрачности лежат в инфракрасном диапазоне, т. е. свет, передающийся по ВОЛС, не виден глазу. Стоит заметить, что в стандартное оптоволокно можно ввести и видимое глазом излучение. Для этого применяют либо небольшие блоки, присутствующие в некоторых рефлектометрах, либо даже слегка переделанную китайскую лазерную указку. С помощью таких приспособлений можно находить переломы в шнурах. Там, где оптоволокно сломано, будет видно яркое свечение. Такой свет быстро затухает в волокне, так что использовать его можно только на коротких расстояниях (не более 1 км).

Аналоговая передача

В простейших передатчиках видеосигнала используется амплитудная модуляция (AM): интенсивность излучаемого света меняется пропорционально изменению амплитуды видеосигнала. Для получения более устойчивого результата, увеличения расстояния передачи сигналов, достижения лучшего соотношения сигнал/шум применяется частотная модуляция (FM).
Амплитудная модуляция (AM) – вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда. Интенсивность излучаемого света меняется пропорционально изменению амплитуды видеосигнала. Так как контролировать интенсивность излучения на высоком уровне достаточно трудно, даже небольшие ее изменения вносят значительные искажения в передаваемый сигнал.
Частотная модуляция (ЧМ) – вид аналоговой модуляции, при котором информационный сигнал управляет частотой световых импульсов. По сравнению с амплитудной модуляцией амплитуда остается постоянной.
Аналоговый способ применяется для передачи видео и аудиосигналов, сигналов управления, 10/100М Ethernet, контроля состояния контактов.
При этом надо заметить, что для передачи видео или аудиоинформации аналоговые устройства не самый удачный выбор. Передавать и принимать ее по ВОЛС с помощью аналогового оборудования бывает достаточно сложно. К тому же ценовые различия между аналоговым и аналогичным цифровым оборудованием незначительны.
Оборудование данного типа присутствует в ассортименте многих игроков рынка, с некоторыми моделями читатели смогут ознакомиться в обзорной части статьи.

S732DV (GE Security, Fiber Option)
Комплект аналоговых приемопередатчиков предназначен для передачи видео и данных по 1-му одномодовому или многомодовому оптоволокну на расстояние до 60 км. Отличительными особенностями устройства являются широкий диапазон рабочих температур (от -40 С до +75 С), технологии Plug-and-Play, CWDM, SMARTSä диагностика, позволяющая производить тестирование системы в режиме реального времени. На оборудование предоставляется гарантия 5 лет.

DE7400 (GE Security, серия EtherNAVä линейки IFS)

Серия 2-портовых приемопередатчиков рассчитана на передачу и прием данных со скоростями 10/100/1000 Мбит/с по многомодовому, одномодовому оптоволокну или по электрическому кабелю Cat 5. DE7400 отличается повышенной климатической защитой для работы при крайних значениях температуры (от -40 С до +85 С). Стандартной функцией является срабатывание контактов для инициирования удаленной тревоги при потере оптической связи. На коннекторе RJ-45 имеются светодиодные индикаторы статуса питания и скорости передачи данных. А также поддерживает протоколы RSTP, QoS/CoS, IGMP, VLAN, SNMP. Поддерживает стандарты IEEE 802.3, что делает возможным подключение любых устройств организации локальных сетей. На оборудование предоставляется пожизненная гарантия.
В линейке оборудования IFS имеется оборудование с различной комплектацией портов.

Приемник/передатчик OVT/OVR-1 («БИК-Информ»)
Аппаратура серии OVT/OVR-1(приемник/передатчик) предназначена для передачи аналоговых видеосигналов в реальном времени в системах видеонаблюдения на промышленных и протяженных объектах. Устройство позволяет передавать высококачественный цветной и ч/б видеосигналы по многомодовому оптическому волокну на расстояние до 5 км в полосе частот 25 Гц – 10 мГц при соотношении сигнал/шум не менее 5 дБ. Оборудование отличается высокой помехозащищенностью. Имеется встроенный генератор тестовых сигналов, системы АРУ (автоматическая регулировка уровня по уровню синхросигнала), низкое потребление тока – не более 85мА для передатчика и 75мА для приемника. Компактные размеры, позволяют размещать устройства как в монтажных шкафах на DIN-рейку, так и в небольших коммутационных коробках. Аппаратура не требует дополнительных настроек и может эксплуатироваться в диапазоне температур от -40 °C до +50 °C.

SFS10-100/W-80 (SF&T)

Комплект, состоящий из двух аналоговых приемопередатчиков, предназначен для организации 1-го канала данных Ethernet 10/100M по 1-му одномодовому оптоволокну. Данное устройство, последнее в серии SFS10-100/W-хх, позволяет увеличить расстояние передачи сигналов до 80 км. Режимы работы: дуплекс и полудуплекс.
Благодаря поддержке стандартов IEEE 802.3 10 Base-T/100Base-Tx/ 100Base-Fx возможно подключение большинства IP-устройств, используемых для организации локальных сетей, а также для построения систем видеонаблюдения.
Широкий диапазон рабочих температур (от -10 до +70 °С), поддержка Plug-and-play, отсутствие необходимости дополнительных настроек и использования аттенюаторов, а также компактные размеры (165 х 144 х 33 мм) делают инсталляцию устройств максимально быстрой и удобной. Модульная конструкция позволяет использовать SFS10-100/W-80 в качестве отдельных модулей и устанавливать в стойке.
На все оборудование SF&T предоставляется гарантия сроком на 3 года.

SVP-11T/12R
SVP-13T/14R («Спецвидеопроект»)
Устройства предназначены для передачи сигнала в системах телевизионного наблюдения на расстояния до 6–12 км. Комплекты из передатчика и приемника обеспечивают передачу одного композитного видеосигнала по многомодовому оптическому кабелю на длине волны 850 и 1310 нм.
Разрешение видеосигнала – 570 ТВЛ, отношение сигнал/шум на предельной дальности – не хуже 50 дБ, полоса частот: 50 Гц – 8 МГц. Система автоматической регулировки усиления постоянно поддерживает на выходе размах видеосигнала 1 В. Световая сигнализация показывает наличие или отсутствие видеосигнала. Устройства имеют малые габариты, низкое энергопотребление, снабжены элементами настенного крепления.
Устройства защищены от переполюсовки питания – при неправильном включении не выходят из строя. Работают в режиме plug and play – настройка и регулировка при их установке не требуется.
Приемники сигналов исполняются также в корпусе, предназначенном для установки в стандартные 19” стойки.

SVP-21T
SVP-22T («Спецвидеопроект»)

Передатчики видеосигнала по оптоволокну SVP-21T и SVP-22T предназначены для работы с камерами телевизионного наблюдения вне помещений. Герметичный кожух оснащен гермовводами и имеет степень защиты от атмосферных воздействий IP66. Рабочая температура от -35 до +50 °С. Сигнал передается на большие расстояния: до 6–12 км.
Передатчики SVP-21T и SVP-22T в комплекте с приемниками SVP-12R, SVP-14R, SVP-12-2Rack, SVP-14-2Rack обеспечивают передачу одного композитного видеосигнала по многомодовому оптическому кабелю на длине волны 850 и 1310 нм. Устройства выпускаются с питанием от сети переменного тока с напряжением 220 В или 24 В. Работают в режиме plug and play – настройка и регулировка при их установке не требуется. Система автоматической регулировки усиления в приемниках постоянно поддерживает на выходе размах видеосигнала 1 В.
В гермокорпусе имеется свободное пространство для кроссировки кабеля другого оборудования. Габаритные размеры: 200 х 150 х 55 мм.

1. Общие понятия электромагнитных излучений
2. Понятие "Свет"

а. История
б. Общие сведения
в. Развитие
4. Заключение

1. Общие понятия электромагнитных излучений.
Электромагнитное излучение - это движение возмущений электромагнитного поля в пространстве. Существуют невидимые и видимые электромагнитные излучения. Электромагнитное излучение порождается движущимися электрическими зарядами, и распространяется во все направления и практически во всех средах. Они переносятся без затуханий насколько угодно большие расстояния.

Электромагнитное излучение подразделяется на:
. радиоволны (начиная со сверхдлинных);
. инфракрасное излучение;
. видимый свет;
. ультрафиолетовое излучение;
. рентгеновское излучение и жесткое (гамма-излучение).

Электромагнитная шкала (спектр) - совокупность всех диапазонов частот электромагнитного излучения. В качестве спектральной характеристики используют следующие величины:
. Длина волны;
. Частота колебания;
. Энергия фотона.

Спектр делится на следующие участки:
. Низкочастотные колебания;
. Радиоволны;
. Инфракрасное излучение;
. Видимое излучение (cвет);
. Ультрафиолетовое излучение;
. Рентгеновское излучение;
. Гамма-излучение.
Электромагнитные волны широко используются в наше время в радио и электротехнике, современных приборах. Радиоволны применяются для радиосвязи, телевидения, радиолокации. Инфракрасное излучение используют в печах, обогревателях и всех приборах для обогревания и сушки. Ультрафиолетовое излучение используют для обеззараживания помещений, изучений и исследований атомов и молекул. Широко используется в криминалистике для нахождения биологических следов. Рентгеновские лучи используют в медицине для диагностики заболеваний и для лечения некоторых болезней.

2. Понятие "Свет".
Свет - это видимое электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбуждённом состоянии веществом. Но также за свет принимают и примыкающие к нему широкие области спектра: ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. Длины волн видимого излучения лежат в диапазоне от 380 до 780 нанометров. Свет изучает раздел физики под названием оптика. Свет может рассматриваться либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой постоянна, либо как поток фотонов — частиц, обладающих определённой энергией, импульсом, собственным моментом импульса и нулевой массой.
Свету присущи все свойства электромагнитных волн:
. Отражение;
. Преломление;
. Интерференция;
. Дифракция;
. Поляризация.
Свет может оказывать давление на вещество, поглощаться средой, вызывать явление фотоэффекта. Свет отклоняется от прямолинейного направления. Имеет конечную скорость распространения в вакууме 300 000 км/с, а в среде скорость убывает. Помимо падения скорости, свет начинает преломляться и может начать распадаться на световой спектр при определенных обстоятельствах. Это объясняется явлением интерференции. Именно интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей и тонких масляных пленок на воде. Световые волны частично отражаются от поверхности тонкой пленки, частично проходят в нее, и мы наблюдаем на поверхности радужный рисунок.
Дифракция света - это отклонение световой волны от прямолинейного распространения. Это хорошо видно, когда в комнате занавешенной темными, плотными шторами в занавеске сделать небольшую дырочку, свет пойдёт как конус вершина которого будет находиться в нашей проделанной дырочке. Преломление света мы можем наблюдать, поставив в стакан с водой ложку. Она будет поделена на границе между воздухом и водой.
Мы наблюдаем окружающий мир только потому, что человек может воспринимать видимый спектр электромагнитных волн. Это происходит из-за того, что специальные рецепторы, находящиеся в сетчатке глаза могут реагировать на световые излучения. И мы можем различать зрительные образы: цвет, форму, величину, расстояние до предмета и многое другое. Человеческое зрение обладает рядом свойств:
. Световой чувствительностью;
. Остротой;
. Полем обзора;
. Бинокулярностью;
. Контрастностью и адаптацией.

3. Применение света в оптоволокне.
а. История
Свет широко используют в технике, но особое развитие в наши дни получил в оптоволоконных сетях. История передачи данных на расстоянии с помощью света и прозрачных материалов началась в 1934 году. Норман Френч предложил преобразовывать голос в световые сигналы и передавать его по стеклянным стержням. Через несколько лет, швейцарский физик Жан-Даниэль Колладон, провел эксперимент с передачей света через “параболический жидкий поток”, то есть воду.
Оптоволокно современного вида изобрели в 1954 году. Это сделали два английских физика Нариндер Сингх Капани, Гарольд Хопкинс и голландский исследователь Абрахам Ван Хил. О своих изобретениях они объявили в одно время, поэтому всех троих считают основателями этой технологии. Кстати, оптоволокно назвали оптоволокном через два года после изобретения.
Первые оптоволоконные кабели имели большую потерю света. Уменьшить потери удалось Лоуренсу Кертису в конце 50-ых годов. После того, как в 1962 году была открыта лазерная технология, оптоволокно получило еще один толчок в развитии.
б. Общие сведения
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. Благодаря высокой несущей частоте и широким возможностям мультиплексирования, пропускная способность волоконно-оптических линий многократно превышает пропускную способность всех других систем связи и может измеряться терабитами в секунду. Но от истории вернемся к современности. Сегодня, оптоволоконный кабель представляет собой самый быстрый способ передачи данных. Это и не удивительно. В качестве переносчика информации выступает свет, а он, как известно, имеет самую высокую скорость перемещения во Вселенной (300 тысяч километров в секунду). Малое затухание света в оптическом волокне позволяет применять волоконно-оптическую связь на значительных расстояниях без использования усилителей. Волоконно-оптическая связь свободна от электромагнитных помех и труднодоступна для несанкционированного использования — незаметно перехватить сигнал, передаваемый по оптическому кабелю, технически крайне сложно. Если сравнивать с другими способами передачи информации, то порядок величин Тбайт/с просто недостижим. Еще один плюс таких технологий — это надежность передачи. Передача по оптоволокну не имеет недостатков электрической или радиопередачи сигнала. Отсутствуют помехи, которые могут повредить сигнал, и нет необходимости лицензировать использование радиочастоты. Однако не так много людей представляют себе, как вообще происходит передача информации по оптоволокну, и тем более не знакомы с конкретными реализациями технологий. Вначале рассмотрим, как вообще передается информация по оптоволокну. Оптоволокно — это волновод, по которому распространяются электромагнитные волны с длиной волны порядка тысячи нанометров (10-9 м). Это область инфракрасного излучения, не видимого человеческим глазом. И основная идея состоит в том, что при определенном подборе материала волокна и его диаметра возникает ситуация, когда для некоторых длин волн эта среда становится почти прозрачной и даже при попадании на границу между волокном и внешней средой большая часть энергии отражается обратно внутрь волокна. Тем самым обеспечивается прохождение излучения по волокну без особых потерь, и основная задача — принять это излучение на другом конце волокна. Конечно, за столь кратким описанием скрывается огромная и трудная работа многих людей. Не надо думать, что такой материал просто создать или что этот эффект очевиден. Наоборот, к этому нужно относиться как к большому открытию, так как сегодня это обеспечивает лучший способ передачи информации. Нужно понимать, что материал волновода — это уникальная разработка и от его свойств зависит качество передачи данных и уровень помех; изоляция волновода разработана с учетом того, чтобы выход энергии наружу был минимален. Что же касается конкретно технологии, называемой «мультиплексинг», то это означает, что вы одновременно передаете несколько длин волн. Между собой они не взаимодействуют, а при приеме или передаче информации интерференционные эффекты (наложение одной волны на другую) несущественны, так как наиболее сильно они проявляются при кратных длинах волн. Здесь же речь идет об использовании близких частот (частота обратно пропорциональна длине волны, поэтому все равно, о чем говорить). Устройство под названием «мультиплексор» — это аппарат для кодирования или декодирования информации в формат волн и обратно.
в. Развитие
Плавно перейдя к тенденциям развития этой технологии, мы наверняка не откроем Америки, если скажем, что DWDM является наиболее перспективной оптической технологией передачи данных. Это можно связать в большей мере с бурным ростом Интернет - трафика, показатели роста которого приближаются к тысячам процентов. Основными же отправными точками в развитии станут увеличение максимальной длины передачи без оптического усиления сигнала и реализация большего числа каналов (длин волн) в одном волокне. Сегодняшние системы обеспечивают передачу 40 длин волн, что соответствует 100-гигагерцевой сетке частот. На очереди к выходу на рынок устройства с 50-гигагерцевой сеткой, поддерживающие до 80 каналов, что соответствует передаче терабитных потоков по одному волокну. И уже сегодня можно услышать заявления лабораторий фирм-разработчиков, таких как Lucent Technologies или Nortel Networks, о скором создании 25-гигагерцевых систем.
Однако, несмотря на столь бурное развитие инженерной и исследовательской мысли, рыночные показатели вносят свои коррективы. Прошедший год ознаменовался серьезным падением оптического рынка, что подтверждается существенным падением курса акций Nortel Networks (29% за один день торгов) после объявления ею о трудностях со сбытом своей продукции. В аналогичной ситуации оказались и другие производители.
В то же время, если на западных рынках наблюдается некоторое насыщение, то восточные только начинают разворачиваться. Наиболее ярким примером служит рынок Китая, где десяток операторов национального масштаба наперегонки строят магистральные сети. Китайцам нельзя не позавидовать - они теперь будут строить дома только в непосредственной близости от оптоволоконного кабеля. Министерство промышленности и информационных технологий Китая недавно издало соответствующий циркуляр. Кроме того, согласно этой новой политике, для поддержания здоровой конкуренции, услуги подключения должны предоставляться абонентам сразу несколькими провайдерами. Правда, скорость соединения никак не оговаривается.
Подобная политика конечно выгодна и китайским операторам. В 2012 году China Unicom (Hong Kong) Ltd (вторая по величине телекоммуникационная компания Китая) обеспечила подключение к своим FTTH-сетям для 10 миллионов китайских домохозяйств. А по информации Economic Information Daily, в 2015 году к ним присоединятся еще примерно 40 миллионов. Постановление китайского правительства вступает в силу с 1 апреля 2013 года. А в США, тем временем, обсуждается инициатива компании Google под названием "Google Fiber". Суть в том, что Google собирается предлагать FTTH-соединение на скорости 1 гигабит в секунду для конечного потребителя. Ранее, скорость 1 Гбит/с использовалась только в некоторых научных, государственных и военных учреждениях. А теперь речь идет про общенациональную сеть с такой скоростью связи. В качестве пилотной версии "гуглволокно" начали внедрять в Канзасе. И хотя работа в этом направлении продолжается, ждать появления общенациональной оптоволоконной сети Google придется еще долго. Компания Goldman Sachs оценивает стоимость этого проекта в сумму более 140 миллиардов долларов.
Напомню, что в США оптоволоконных сетей и так уже построено немало. Наиболее известный пример - компания Verizon, которая много лет строит собственную оптоволоконную инфраструктуру, и уже потратили на нее 15 миллиардов долларов, обеспечив подключение для примерно 15 миллионов домов. Но Verizon предлагает скорость 50 Мбит/с, которая может быть увеличена пока лишь до 100 Мбит/с. И если «у них» вопросы построения магистральных сетей уже практически решены, то в нашей стране, как это ни печально, пока просто нет необходимости в толстых каналах для передачи собственного трафика.
Сегодня на российском рынке высокоскоростного подключения к Интернету выделяется два основных конкурирующих направления - это домашние оптоволоконные сети и ADSL-подключение.
Домашние сети - это определенная разновидность «выделенного подключения», обеспечивающего подключение домашнего компьютера к сети через оптоволоконный кабель, который провайдер подводит к каждой квартире. Технология ADSL, в свою очередь, относится к виду широкополосных подключений, которые функционируют по принципу телефонного модема, преобразуя аналоговую телефонную линию в высокоскоростной канал передачи с помощью специальной технологии. Таким образом, главное отличие двух конкурирующих технологий - технологическое.
Тем не менее, прошедшая в начале декабря выставка «Ведомственные и корпоративные сети связи» выявила огромный интерес отечественных связистов к новым технологиями, и к DWDM в том числе. И если такие монстры, как «Транстелеком» или «Ростелеком», уже имеют транспортные сети масштаба государства, то нынешние энергетики только начинают их строить. Так что, несмотря на все неурядицы, за оптикой — будущее. И немалую роль здесь сыграет DWDM. Стоимость использования волоконно-оптической технологии уменьшается, что делает данную услугу конкурентоспособной по сравнению с традиционными услугами. Технология оптоволоконной передачи данных будет развиваться до тех пор, пока не будет придумана альтернатива. Из будущих конкурентов видится только квантовая сеть, но эта технология находится еще в рамках становления и пока не страшна оптоволокну.
Что касается минусов, то он один - дороговизна оборудования и инструментов монтажа оптоволокна. Сам кабель стоит в десятки раз меньше, чем передатчики, приемники и усилители сигнала. Кроме того, для спайки кабелей, используются специальные инверторы, некоторые из них стоят как дорогой автомобиль.

4. Заключение .
В наше время информационных технологий, государство начало особое внимание уделять процессу информатизации общества. Этот процесс не мог не затронуть такой аспект общественной жизни, как образование. Сегодня все больше бюджетных средств тратится на поднятие уровня технического оборудования в школах, для улучшения информационной образованности молодежи. Эти улучшения также касаются качества Интернет-соединения в образовательных учреждениях. А самый прогрессивный и быстрый способ Интернет-соединения - оптоволоконные системы. Их внедрение в образование позволит добиться огромного скачка в информационной образованности студентов и школьников, что в будущем позволит воспитать отличнейших специалистов в сфере международных Интернет-систем, которые поднимут нашу страну на более высокий уровень развития в мире. Параллельно с этим развитие телекоммуникации поможет воспитать людей, способных поддерживать стабильность и безопасность наших интернет ресурсов.
С моей точки зрения, изучение поставленной проблемы имеет большое будущее и я предполагаю продолжить работу над данной темой уже будучи студентом. Я считаю, что изучая современные технологии, участвуя в различного уровня исследованиях, конференциях, можно стать конкурентоспособным специалистом.

Литература:
1) Большая Российская энциклопедия.
2) Газета "White Paper".
3) Журнал "КомпьютерПресс №1 2001.
4) Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф. Рубин А. Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения.
5) Листвин А. В., Листвин В. Н., Швырков Д. В. Оптические волокна для линий связи. М.: ЛЕСАРарт, 2003.
6) Отчет фирмы Alcatel-Lucent за 28 СЕНТЯБРЯ 2009.
7) Советская энциклопедия.
8) Тарасов К. И. Спектральные приборы.

Большинство технических специалистов, работающих с оптоволокном, знают об отличии многомодовых волокон от одномодовых. Но не все информированы о характеристиках оптических волокон и о протоколах передачи информации по ним. В статье приведены описания конкретных характеристик оптоволокон и протоколов передачи Ethernet, вызывающих, иногда, противоречивые толкования.

Характеристики оптических волокон

Пожалуй, не найдется специалиста-кабельщика, работающего с оптическим волокном, который не знал бы отличие многомодовых волокон от одномодовых. Мы не собираемся повторять прописные истины в данной статье. Остановимся на конкретных характеристиках оптоволокон, вызывающих, подчас, противоречивое толкование.

Оптические волокна допускают распространение сигналов передачи данных вдоль них при условии, что световой сигнал вводится в волокно под углом, обеспечивающим полное внутреннее отражение на границе раздела двух сред из двух типов стекла, имеющего различные показатели преломления. В центре сердцевины находится особо чистое стекло с показателем преломления 1.5. Диаметр сердцевины находится в пределах от 8 до 62,5 мкм. Окружающее ядро стекло, называемое оптической оболочкой, немного менее свободное от примесей, имеет показатель преломления 1.45. Общий диаметр сердцевины и оболочки находится в пределах от 125 до 440 мкм. Поверх оптической оболочки наносят полимерные покрытия, укрепляющие волокно, защитные нити и внешнюю оболочку.

При вводе оптического излучения в волокно, луч света, падающий на его торец под углом больше критического, будет распространяться вдоль границы раздела двух сред в волокне. Каждый раз, когда излучение попадает на границу между ядром и оболочкой, оно отражается обратно в волокно. Угол ввода оптического излучения в волокно определяется максимально допустимым углом ввода, называемым числовой апертурой или апертурой волокна. Если вращать этот угол вдоль оси сердцевины, формируется конус. Любой луч оптического излучения, падающий на торец волокна в пределах этого конуса, будет передан дальше по волокну.

Находясь внутри сердцевины, оптическое излучение многократно отражаетсяот границы раздела двух прозрачных сред, имеющих различные показатели преломления. Если физические размеры сердцевины оптического волокна существенные, отдельные лучи света будут введены в волокно и, в последующем, претерпевают отражение под разными углами. Поскольку ввод лучей оптической энергии в волокно был осуществлен под разными углами, то и расстояния, которые они проходят, будут также различными. В результате, они достигают приемного участка волокна в разное время. Импульсный оптический сигнал, прошедший по волокну будет расширен, по сравнению с тем, который был отправлен, следовательно, ухудшается и качество переданного по оптоволокну сигнала. Это явление получило название модовой дисперсии (DMD).

Другой эффект, который тоже вызывает ухудшение передаваемого сигнала, получил название хроматической дисперсии . Хроматическая дисперсия обусловлена тем, что световые лучи разных длин волн распространяютсявдоль оптического волокна с различной скоростью. При передаче серии световых импульсов через оптоволокно, модовая и хроматическая дисперсии, в конечном итоге, могут вызвать слияние серии в один длинный импульс, возникновению интерференции бит сигнала и потере передаваемых данных.

Еще одной типичной характеристикой оптического волокна является затухание . Стекло, используемой для изготовления сердцевины оптического волокна (ОВ), является очень чистым, но, все же, не идеально. В результате, свет может поглощаться материалом стекла в оптоволокне. Другими потерями оптического сигнала в волокне могут быть рассеяние и потери, а также затухание от плохих оптических соединений. Потери при соединении оптоволокон могут быть вызваны смещением сердцевин волокна или его торцевых поверхностей, которые не были отполированы и очищеныдолжным образом.

Сетевые протоколы для оптической передачи Ethernet

Перечислим основные протоколы передачи Ethernet по многомодовым и одномодовым оптическим волокнам.

10BASE-FL - 10 Мбит/с передача Ethernet по многомодовому оптоволокну.

100BASE-SX - 100 Мбит/с передача Ethernet по многомодовому ОВ на длине волны850-nm. Максимальное расстояние передачи до 300 м. Большие расстояния передачи возможны при использовании одномодового ОВ. Обратно совместимый с 10BASE-FL.

100BASE-FX - 100 Мбит/с передача Ethernet (Fast Ethernet) по многомодовому ОВ на длине волны 1300-nm. Максимальное расстояние передачи составляет до 400 м для полудуплексных соединений (с обнаружением коллизий) или до 2 км для полнодуплексной связи. Большие расстояния возможны с применением одномодового ОВ. Не обратно совместим с протоколом 10BASE-FL.

100BASE-BX - 100 Мбит/с передача Ethernet по одномодовому ОВ. В отличие от протокола 100BASE-FX, в котором используются два оптоволокна, 100BASE-BX работает по одному волокну с технологией WDM (Wavelength-Division Multiplexing), которая позволяет разделить длины волн сигнала на приеме и передаче. Для передачи и приема используются две длины волны из возможных: 1310 и 1550 nm или 1310 и 1490 nm. Расстояние передачи до 10, 20, или 40 км.

1000BASE-SX - 1 Гбит/с передача Ethernet (Gigabit Ethernet) по многомодовому ОВ на длине волны 850-nm и на максимальное расстояние до 550 м, в зависимости от используемого класса ОВ.

1000BASE-LX - 1 Гбит/с передача Ethernet (GigabitEthernet) по многомодовому ОВ на длине волны 1300-nm на максимальное расстояние до 550 м. Протокол оптимизирован для передачи на большие расстояния (до 10 км) по одномодовому ОВ.

1000BASE-LH - - 1 Гбит/с передача Ethernet по одномодовому ОВ на максимальное расстояние до 100 км.

10GBASE-SR - 10 Гбит/с передача Ethernet (10 GigabitEthernet) по многомодовому ОВ на длине волны over 850-nm. Расстояние передачи может быть 26 м или 82 м, в зависимости от типа применяемого ОВ с сердцевиной 50- или 62.5 мкм. Поддержка передачи на расстояние 300 м по многомодовому ОВ класса ОМ3 и выше, с коэффициентом широкополосности не менее 2000 MГц/км.

10GBASE-LX4 - 10 Гбит/с передача Ethernetпо многомодовому ОВ на длине волны 1300-nm. Использует технологию WDM для передачи на расстояния до 300 м по многомодовым волокнам. Поддержка передачи по одномодовому ОВ на расстояния до 10 км.

В заключение статьи, приведем некоторые данные по используемым типам многомодовых оптических волокон и стандартам передачи. Данные сведены в табл.1 (выдержки из Стандартов).

Международный Стандарт: ISO/IEC 11801 “GenericCablingforCustomerPremises”

МеждународныйСтандарт: IEC 60793-2-10 “Product Specifications - Sectional Specification for Category A1 Multimode Fibers”

Стандарт ANSI/TIA/EIA-492-AAAx “Detail Specification for Class 1a Graded-Index Multimode Optical Fibers”

(1) класс OM1 многомодовое ОВ с сердцевиной 62.5-мкм или 50-мкм.

(2) класс OM2 многомодовое ОВ с сердцевиной 50-мкм или 62.5-мкм.

(3) класс OM4 ратифицирован IEEE в июне 2010 и является Стандартом 802.ba для 40G/100G Ethernet. Работает на расстояниях до 1000 м по 1 Гбит/с Ethernet, 550 м по 10 Гбит/с Ethernet и 150 м по 40 ГБит/с и 100 ГБит/с сетевым протоколам Ethernet.

(4) Международный Стандарт ISO/IEC 11801 определяет максимальное значение затухания ОВ. Стандарты IEC и TIA описывают(минимальное) или среднее затухание «голого» ОВ.

На Хабре не так много статей, посвященных технологиям оптических линий связи. Совсем недавно появилась , были статьи о мощных системах DWDM , и краткая статья о применении системы CWDM . Я постараюсь дополнить эти материалы и рассказать Вам вкратце обо всех самых распространенных и доступных в России способах использования ресурса волоконно-оптических линий связи в сетях передачи данных и - совсем немножко - кабельного телевидения.

Начало. Свойства стандартного одномодового волокна G.652

Википедия подсказывает нам следующее распределение:

В реальной жизни сейчас картина получше, в частности удельное затухание в окне 1310нм обычно укладывается в 0.35дБ/км, в окне 1550нм оно порядка 0.22-0.25дБ/км, а так называемый «водяной пик» в районе 1400-1450нм у современных волокон не так сильно выражен, либо вообще отсутствует.

Тем не менее, надо иметь в виду эту картину и само наличие этой зависимости.

Исторически диапазон длин волн, который пропускается оптическим волокном, делится на следующие диапазоны:

O - 1260…1360
E - 1360…1460
S - 1460…1530
C - 1530…1565
L - 1565…1625
U - 1625…1675
(цитирую по той же статье на Википедии).

С приемлемым приближением свойства волокна внутри каждого диапазона можно считать примерно одинаковыми. Водяной пик приходится, как правило, на длинноволновый конец E-диапазона. Ещё будем иметь в виду, что удельное (километрическое) затухание в O-диапазоне примерно в полтора раза выше, чем в S- и в С-диапазоне, удельная хроматическая дисперсия - наоборот, имеет нулевой минимум на длине волны в 1310нм и ненулевая в C-диапазоне.

Простейшие системы уплотнения - двунаправленная передача по одному волокну

Поэтому, как только стала позволять технология, стали появляться решения для передачи информации в обе стороны по одному волокну. Названия подобных решений - «одноволоконные трансиверы», «WDM», «bi-directional».

В самых распространенных вариантах используются длины волн 1310 и 1550нм, соответственно из O- и C-диапазона. «В дикой природе» трансиверы на эти длины волн встречаются для линий до 60км. Более «дальнобойные» варианты делаются на другие комбинации - 1490/1550, 1510/1570 и тому подобные варианты с использованием окон прозрачности с мЕньшим удельным затуханием, чем в O-диапазоне.

Кроме вышеперечисленных пар длин волн, возможно встретить комбинацию 1310/1490нм - она используется, если одновременно с данными по этому же волокну передается сигнал кабельного телевидения на длине волны 1550нм; или 1270/1330нм - она используется для передачи 10Гбит/с потоков.

Мультиплексирование данных и кабельного телевидения

Для доставки сигнала кабельного телевидения от головной станции до многоквартирного дома сейчас тоже используется оптика. Для него используется либо длина волны 1310нм - здесь минимальная хроматическая дисперсия, то есть искажение сигнала; либо длина волны 1550нм - здесь минимальное удельное затухание и возможно применение чисто-оптического усиления с использованием EDFA. Если есть необходимость доставки на один дом одновременно и потока данных (интернет) и синала КТВ, нужно либо использовать два отдельных волокна, либо несложное пассивное устройство - фильтр FWDM.

Это обратимое устройство (то есть одно и то же устройсто используется как для мультиплексирования, так и для демультиплексирования потоков) с тремя выводами: под КТВ, одноволоконный трансивер и общий выход (см. схему). Таким образом можно строить сеть PON или Ethernet, используя для передачи данных длины волн 1310/1490, а для КТВ - 1550нм.

CWDM и DWDM

Система DWDM принципиально ничем не отличается от CWDM, но - как говорится - «дьявол кроется в деталях». Если шаг каналов в CWDM - 20нм, то для DWDM он гораздо уже и измеряется в гигагерцах (самый распространенный сейчас вариант - 100ГГц, или около 0.8нм; также возможен устаревающий вариант с полосой 200ГГЦ и постепенно распространяются более современные - 50 и 25ГГц). Частотный диапазон DWDM лежит в C- и L-диапазоне, по 40 каналов в 100ГГц в каждом. Из этого следует несколько важных свойств DWDM-систем.

Во-первых, они значительно дороже CWDM. Для их использования требуются лазеры со строгим допуском по длине волны и мультиплексоры очень высокой избирательности.

Во-вторых, используемые диапазоны лежат в рабочих зонах оптических усилителей EDFA. Это позволяет строить длинные линии с чисто-оптическим усилением без необходимости оптоэлектронного преобразования сигнала. Именно это свойство привело к тому, что многие при слове «DWDM» сразу представляют себе именно сложные системы монстров телеком-рынка, хотя подобное оборудование можно использовать и в более простых системах.
И в-третих, затухание в C- и L-диапазонах минимально из всего окна прозрачности оптического волокна, что позволяет даже без усилителей строить линии бОльшей длины, чем при использовании CWDM.

Мультиплексоры DWDM - это так же пассивные устройства, как и мультиплексоры CWDM. Для числа каналов до 16 они также устроены из отдельных фильтров, и это довольно простые устройства. Однако мультиплексоры для бОльшего числа каналов делаются по технологии Arrayed Wavelength Grating , крайне чувствительной к изменениям температуры. Поэтому такие мультиплексоры выпускаются либо с электронной схемой термостабилизации (Thermal AWG), либо с применением специальных способов автокомпенсации, не требующих энергии (Athermal AWG). Это делает такие мультиплексоры более дорогими и нежными в эксплуатации.

Практические ограничения в волоконно-оптической связи

Как совершенно справедливо отметил товарищ saul , первое ограничение - это оптический бюджет.
Дополню его некоторыми уточнениями.

Если мы говорим о двухволоконных линиях связи, расчет оптического бюджета достаточно сделать для одной длины волны - той, на которой будет вестись передача.

Как только у нас появляется волновое уплотнение (особенно в случае одноволоконных трансиверов или систем CWDM) - сразу надо вспомнить про неравномерность удельного затухания волокна на разных длинах волн и про затухание, вносимое мультиплексорами.

Если мы строим систему с промежуточными ответвлениями на OADM - не забываем посчитать затухание на OADM. Кстати, оно отличается для сквозного канала и выводимых длин волн.

Не забываем оставить несколько децибел эксплуатационного запаса.

Второе, с чем приходится иметь дело - это хроматическая дисперсия. Актуальной она по-настоящему становится для 10Гбит/с линий, и вообще говоря, о ней в первую очередь думает производитель оборудования. Кстати, именно дисперсия придает физический смысл упоминанию километров в маркетинговых названиях трансиверов. Специалисту эксплуатации просто полезно понимать, что есть такое свойство волокна и что кроме затухания сигнала в волокне картину портит ещё и дисперсия. Добавить метки

Введение

В настоящее время телекоммуникационная индустрия претерпевает беспрецедентные изменения, связанные с переходом от голосоориентированных систем к системам передачи данных, что является следствием бурного развития Internet технологий и разнообразных сетевых приложений. Поэтому одним из основных требований, предъявляемых к транспортным сетям для передачи данных, является возможность быстрого увеличения их пропускной способности в соответствии с ростом объемов трафика.

Цифровая связь по оптическим кабелям, приобретающая всё большую актуальность, является одним из главных направлений научно-технического прогресса.

Преимущества цифровых потоков в их относительно лёгкой обрабатываемости с помощью ЭВМ, возможности повышения отношения сигнал/шум и увеличения плотности потока информации.

Преимущества оптических систем передачи перед системами передачи работающими по металлическому кабелю заключается в:

Возможности получения световодов с малым затуханием и дисперсией, а значит увеличение дальности связи;

Широкой полосе пропускания, т.е. большой информационной ёмкости;

Оптический кабель не обладает электропроводностью и индуктивностью, то есть кабели не подвергаются электромагнитным воздействием;

Пренебрежимо малых перекрестных помех;

Низкой стоимостью материла оптического кабеля, его малый диаметр и масса;

Высокой скрытности связи;

Возможности усовершенствования системы при полном сохранении совместимости с другими системами передачи.

Линейные тракты волоконно-оптических систем передачи строятся как двухволоконные однополосные одно кабельные, одноволоконные одно полосные однокабельные, одноволоконные многополосные одно кабельные (со спектральным уплотнением).

Учитывая, что доля затрат на кабельное оборудование составляет значительную часть стоимости связи, а цены на оптический кабель в настоящее время остаются достаточно высокими, возникает задача повышения эффективности использования пропускной способности оптического волокна за счёт одновременной передачи по нему большего объёма информации.

Цель работы - рассмотрение различных способов увеличения пропускной способности оптического волокна.

Принципы передачи сигналов по оптическому волокну и основные параметры оптических волокон

Принципы передачи сигналов по оптическому волокну

В основе применения оптических волоконных сетей лежит принцип распространения световых волн по оптическим световодам на большие расстояния. При этом электрические сигналы, несущие информацию, преобразуются в световые импульсы, которые с минимальными искажениями передаются по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС). Большое распространение подобные системы получили благодаря целому ряду достоинств, которые есть у ВОЛС по сравнению с системами передачи, использующие медные кабели или радиолинии в качестве среды передачи. К числу преимуществ ВОЛС следует отнести широкую полосу пропускания, обусловленную высокой несущей частотой - до 10 14 Гц. Такая полоса дает возможность передавать потоки информации со скоростью несколько терабит в секунду. Важным преимуществом ВОЛС являются также такие факторы, как малое затухание сигналов, позволяющее, при использовании современных технологий, строить участки оптических систем в сто и более километров без ретрансляторов, высокая помехозащищенность, связанная с малой восприимчивостью оптического волокна к электромагнитным помехам, и многое другое.

Оптические волокна - один из основных компонентов ВОЛС. Они представляют собой комбинацию материалов, имеющих различные оптические и механические свойства.

Внешняя часть волокна изготавливается обычно из пластмасс или эпоксидных композиций, сочетающих высокую механическую прочность и большой коэффициент преломления света. Этот слой обеспечивает механическую защиту световода и его устойчивость к воздействию внешних источников оптического излучения.

Основная часть волокна состоит из сердцевины и оболочки. Материалом сердцевине служит сверхчистое кварцевое стекло, которое и является основной средой передачи оптических сигналов. Удержание светового импульса происходит вследствие того, что коэффициент преломления материала сердцевины больше, чем у оболочки. Таким образом, при оптимально подобранном соотношении коэффициентов преломления материалов происходит полное отражение светового луча внутрь сердцевины.

Для передачи свет вводится под небольшим углом в торец оптического волокна. Максимальный угол проникновения светового импульса в сердечник волокна б 0 называется угловой апертурой оптического волокна. Синус угловой апертуры называется числовой апертурой NA и рассчитывается по формуле:

Из приведенной формулы следует, что числовая апертура световода NA зависит только от показателей преломления сердцевины и оболочки - n 1 и n 2 . При этом всегда выполняется условие: n 1 >n 2 (рисунок 1).

Рисунок 1 - Распространение света в оптическом волокне. Числовая апертура световода.

Если угол падения света б больше, чем б 0 , то луч света полностью преломляется и не попадает в сердечник оптического волокна (рис.2а). Если угол б меньше, чем б 0 , то происходит отражение от границы материалов сердечника о оболочки, и световой луч распространяется внутри сердечника (рис.2б).

Рисунок 2 - Условия распространения света в оптическом волокне

Скорость распространения света в оптическом волокне зависит от коэффициента преломления сердечника волокна и определяется как:

где С - скорость света в вакууме, n - коэффициент преломления сердечника.

Типичные коэффициенты преломления материала сердечника лежат в пределах 1,45 - 1,55.

Для того, чтобы передавать свет по оптическим волноводам, необходим источник строго когерентного света. Для увеличения дальности передачи ширина спектра передатчика должна быть как можно меньше. Для этой цели особенно подходят лазеры, которые, благодаря индуцированному излучению света, позволяют поддерживать постоянную разность фаз при одинаковой длине волн. В связи с тем, что диаметр сердцевины волокна сравним с длиной волны оптического излучения, в световоде возникает явление интерференции. Это может быть док5азано тем, что свет распространяется в стекле сердцевины только под определенными углами, а именно в направлениях, в которых введенные световые волны при их наложении усиливаются. Возникает так называемая конструктивная интерференция. Разрешенные световые волны, которые могут распространяться в оптическом волокне, называются модами (или собственными волнами). В соответствии с типами распространения световых лучей, оптические волокна делятся на многомодовые, то есть использующие ряд световых волн, и одномодовые, в которых происходит распространение только одного светового луча. Для описания процессов распространения света в оптических волокнах используются несколько основных параметров.