Оптоволокно. Потери в оптоволокне.

Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей (Fo=10¹⁴ Гц). Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 10¹² бит/с или Терабит/с. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут. Технические особенности: 1.Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди. 2.Оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм., то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике. 3.При строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов. 4. Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии. 5. Важное свойство оптического волокна - долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет. Основными достоинствами оптоволокна является практически не ограниченная пропускная способность, индифферентность к электрическим (например, атмосферным) наводкам, и высокая долговечность. К недостаткам можно отнести относительно дорогой кабель и активное оборудование, и высокую сложность монтажа. На сегодня, применение оптоволокна в небольших локальных сетях не оправдано ни экономически, ни технически. Но для сетей "последней мили" оптическая среда передачи данных является практически единственным способом строить большие и надежные сети "воздушным" способом. Недостатки: 1.При создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы. Необходимы также оптические коннекторы с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связи должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее. 2.Для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование. 3.Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями. Достоинства: 1.очень малое (по сравнению с другими средами) затухание оптического сигнала в волокне 2.широкая полоса пропускания, обусловленная высокой несущей частотой (~10¹⁴ Гц), что означает возможность передачи по оптической линии связи информации со скоростью порядка 10¹² бит/с; 3.высокая помехозащищенность, обусловленная нечувствительностью к электромагнитным помехам, что делает волокно более надежным по сравнению с медным кабелем в случае его пролегания в сильных электромагнитных полях;4.высокая защищенность от несанкционированного доступа;5.взрыво - и пожаробезопасность обусловлены отсутствием искрообразования оптических волокон. Внешний диаметр отражающей оболочки унифицирован для всех типов кабелей и составляет 125±2 мкм. Первичную механическую прочность и гибкость рассматриваемой конструкции придает защитное покрытие из эпоксиакриолата, часто называемое буфером. Как правило, для удобства монтажа его окрашивают в разные цвета. Толщина покрытия составляет 250±15 мкм. Главный компонент волоконно-оптического кабеля - оптическое волокно. Волокна подразделяются на одномодовые и многомодовые. Моды - это типы электромагнитных волн оптического диапазона, распространяющиеся в оптическом волокне (волноводе) с минимальными потерями. Оптический волновод (волокно) состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления (n1 и n2). Одномодовое волокно имеет диаметр сердцевины порядка 8 - 10 мкм, который сравним с длиной волны моды, распространяющейся здесь. Многомодовое волокно имеет диаметр сердцевины 50 - 60 мкм, что делает возможным распространение в нем большого числа мод. Все распространенные типы волокон характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Затухание характеризует потерю мощности передаваемого сигнала на заданном расстоянии, и измеряется в дБ/км. Волоконно-оптические линии как правило способны нормально функционировать при потерях в 30 дБ. 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 случае - означает выход части светового потока из волновода. Обусловлено это обычно неоднородностями показателя преломления материалов. Известно, что с уменьшением длины волны потери рассеивания возрастают. 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, в рамках которых затухание имеет наименьшее значение. Самые распространенные значения длины волны:0.85мкм;1.3мкм;1.55 мкм. Именно под такие диапазоны разработаны специальные гетеролазеры, на которых основываются современные ВОЛС (волоконно-оптические системы связи). Надо специально заметить, что влияние частоты сигнала на реальные технологии сегодняшнего дня очень большое. Все виды дисперсии отрицательно влияют на пропускную способность оптоволоконного канала. Так как в настоящее время используются только цифровые способы передачи информации, то световой сигнал поступает с передатчика импульсами. И чем сильнее размыт по времени импульс на выходе (эффект дисперсии), тем сложнее его правильный прием. Иначе говоря, дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов. Дисперсия означает рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала. Существуют три типа дисперсии: межмодовая, материальная и межчастотная. Межмодовая дисперсия обусловлена неидеальностью современных источников света, которые испускают волны в нескольких направлениях, и далее они проходят по разным траекториям (иначе говоря - будут иметь разные моды). Как следствие, лучи достигнут приемника в разные моменты времени. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны. Если распределение плотности волокна будет неравномерным, то волны, проходящие путь по разным траекториям, будут иметь разные скорости распространения. И, соответственно, попадать в приемник в разное время. Межчастотная дисперсия. Источники излучения не идеальны, и испускают волны различной длины. В кварцевом стекле более короткие волны распространяются быстрее, а следовательно достигают конца световода в разные моменты времени. Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны. Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой же причине одномодовые волокна сложно сращивать с малыми потерями. Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как в них размер световодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовых волокнах. На многомодовое волокно расчитаны излучатели на длину волны 0.85 мкм - самые доступные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон находится в пределах 3-4 dB/км и не может быть существенно улучшено. Полоса пропускания у многомодовых волокон достигает 800 МГц*км, что приемлемо для локальных сетей связи, но не достаточно для магистральных линий.