Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС)

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) используются для высокоскоростной передачи данных, представляемых в виде оптических сигналов, по оптическим диэлектрическим световодам, являющимся самой перспективной физической средой для передачи данных.

Оптический сигнал представляет собой модулированный световой поток, генерируемый светодиодами или диодными лазерами.

Основными компонентами ВОЛС являются:

1) оптическое волокно;

2) волоконно-оптический кабель;

3) оптические компоненты и устройства;

4) электронные компоненты систем оптической связи.

Оптическое волокно – главный компонент ВОЛС – состоит из сердцевины (световодной жилы) и оболочки с разными показателями преломления n 1 и n 2.

Оптические волокна в зависимости от способа распространения в них излучения делятся на:

· одномодовые, в которых световодная жила имеет диаметр 8–10 мкм, в которых может распространяться только один луч (одна мода);

· многомодовые, в которых световодная жила имеет диаметр 50–60 мкм, что делает возможным распространение в них большого числа лучей (много мод).

Важнейшими параметрами оптического волокна являются:

· затухание;

· дисперсия.

Затухание определяется потерями на поглощение и рассеяние излучения в оптическом волокне и измеряется в децибелах на километр (дБ/км). Потери на поглощение зависят от чистоты материала, а потери на рассеяние – от неоднородностей его показателя преломления.

В последние годы наряду с когерентными системами связи развивается альтернативное направление – солитоновые системы. Солитон – уединенная волна, которая не затухает и не поглощается средой, а сохраняет свои размеры и форму сколь угодно долго. Солитон – это световой импульс с необычными свойствами: он сохраняет свою форму и теоретически может распространяться по "идеальному" световоду бесконечно далеко. Длительность импульса составляет примерно 10 пс. Солитоновые системы, в которых отдельный бит информации кодируется наличием или отсутствием солитона, имеют пропускную способность не менее 5 Гбит/с при расстоянии 10 000 км.

Дисперсия – рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала.

Поскольку при передаче информации светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространении по волокну и тем самым порождает искажения сигналов.

Достоинства одномодовых волокон:

· лучшие характеристики по затуханию и полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч;

· максимальное затухание составляет 0,5 дБ/км при длине волны 1,31 мкм и 1,55 мкм;

· при использовании лазерных передатчиков расстояние между узлами может составлять до 40 км.

Недостатки одномодовых волокон:

· одномодовые источники излучения дороже многомодовых;

· в одномодовое волокно труднее ввести световой луч из-за малого диаметра световодной жилы;

· по этой же причине трудно минимизировать потери сигнала при сращивании одномодовых волокон;

· дороже монтаж оптических разъемов на концах одномодовых кабелей.

Достоинства многомодовых волокон:

· более удобны при монтаже, так как в них больше размер световодной жилы;

· проще снабдить оптическими разъёмами с малыми потерями (до 0,3 дБ).

· имеют меньшую стоимость.

Недостатки многомодовых волокон:

· большое затухание, составляющее при длине волны 0,85 мкм – 3-4 дБ/км;

· обеспечивает передачу данных без применения промежуточных повторителей на расстояние не более 2-х км;

· недостаточная полоса пропускания многомодовых волокон для магистральных линий связи, которая составляет порядка 1000 МГц*км (но вполне приемлемая для локальных сетей).

Волоконно-оптический кабель (ВОК) – среда передачи данных, состоящая из оптических волокон (стеклянных или пластиковых), заключенных в защитную герметичную оболочку. Информация в ВОК переносится модулированным световым потоком, генерируемым светодиодами или диодными лазерами.

Достоинства ВОК по сравнению с электрическими кабелями:

· высокая пропускная способность;

· отсутствие электромагнитного излучения, что исключает утечку информации;

· помехоустойчивость;

· большое расстояние передачи (не менее 2 км без повторителей);

· малый вес;

· высокое электрическое сопротивление, обеспечивающее гальваническую развязку соединяемых устройств;

· умеренная стоимость, незначительно превышающая стоимость медного кабеля.

Недостатки ВОК:

· трудоемкость монтажа, требующая специального оборудования;

· высокая стоимость сетевых устройств.

Оптические компоненты

Оптические компоненты включают в себя:

· оптические соединители;

· системы спектрального уплотнения;

· оптические шнуры;

· оптические разветвители;

· распределительные панели;

· кроссовые шкафы;

· соединительные муфты;

· аттенюаторы и т.д.

Оптические соединители (коннекторы) предназначены для соединения ВОК с приёмо-передающей аппаратурой через специальные розетки.

Системы спектрального (волнового) уплотнения WDM (фильтры WDM) реализуют мультиплексирование и демультиплексирование оптических сигналов.

Оптический шнур – это оптический миникабель, оба конца которого снабжены соединителями.

Оптический разветвитель – многополюсное устройство, в котором подаваемый на вход оптический сигнал разветвляется по нескольким выходным направлениям.

Типы оптических разветвителей:

· древовидный – разветвляет один входной оптический сигнал по нескольким выходам (в равной степени по мощности) или наоборот объединяет несколько сигналов в один выходной;

· звездообразный– разветвляет поступающий по одному из входов оптический сигнал по нескольким выходам (в равной степени по мощности);

· ответвитель, где большая часть мощности остается в магистральном канале.

Аттенюаторы используются для уменьшения мощности входного оптического сигнала.

Особенности ВОЛС

Физические свойства ВОЛС:

· высокая частота несущей (f н = 1014 Гц), обусловливающая широкополосность оптических сигналов, то есть возможность передачи данных со скоростью порядка 1012 бит/с = 1 Тбит/с;

· высокая пропускная способность за счет передачи данных в одном оптическом волокне сразу на нескольких длинах волн;

· малое затухание светового сигнала, что позволяет строить протяженные ЛС до сотен километров без регенерации сигналов.

Достоинства ВОЛС:

· невысокая стоимость материала – кварца (основу которого составляет двуокись кремния), из которого изготавливается волокно, по сравнению с медью;

· оптические волокна компактны и легки (их диаметр около 100 мкм), а, следовательно, перспективны для использования в авиации, приборостроении и т.д.;

· обеспечивается гальваническая развязка сегментов, так как стеклянные волокна не проводят электричество;

· безопасны в электрическом отношении, так как не содержат металла, и, следовательно, могут монтироваться на мачтах существующих линий электропередач;

· устойчивы к электромагнитным помехам;

· данные, передаваемые по ВОЛС, защищены от несанкционированного доступа, так как ВОЛС чрезвычайно трудно подслушать неразрушающим способом, а всякие воздействия на ВОЛС могут быть зарегистрированы с помощью мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии;

· возможно применение разных вариантов скрытой передачи информации, например путем:

- модулирования сигналов по фазе и их перемешивания со смещенным на некоторое время сигналом из того же информационного потока;

- распределения передаваемой информации по множеству сигналов;

- передачи нескольких шумовых сигналов;

· долговечность, означающая сохранение свойств волокна в определенных пределах в течение 25 и более лет;

· обеспечивают сверхвысокие скорости передачи данных – десятки и более Гбит/с.

Недостатки ВОЛС:

· необходимы специальные технические средства, а именно:

- высоконадежные адаптеры, преобразующие электрические сигналы в световые и обратно;

- оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на включение-выключение;

· для монтажа оптических волокон необходимо прецизионное, а, следовательно, дорогое технологическое оборудование;

· высокие затраты по сравнению с медным кабелем на восстановление оптического кабеля при его повреждении (обрыве).

Применение ВОЛС в ЛВС

Основные преимущества применения ВОЛС в ЛВС:

· не требуются повторители на протяженных сегментах ЛВС;

· вероятность искажения информации – не более 10-10 благодаря низкому уровню шумов в оптических линиях связи;

· возможность наращивания вычислительной мощности сети без замены кабельных коммуникаций.

Недостатки использования ВОЛС в ЛВС:

· несмотря на возможно невысокую стоимость кабеля, стоимость работы по его прокладке может быть значительной.

В состав схемы ВОЛС входят:

· сетевой адаптер, устанавливаемый в рабочую станцию или сервер;

· приемопередатчик (трансивер), преобразующий электрический сигнал в оптический (Э/О) и обратно (О/Э);

· оптический соединитель (ОС);

· оптический кабель.