бесплатно рефераты
 

Реконструкция волоконно-оптической линии связи

производится обратная операция демультиплексирования. Примерная структурная

схема такой системы с WDM представлена на рис. 1.1.

Оптические параметры систем WDM регламентируются рекомендациями, в

которых определены длины волн и оптические частоты для каждого канала.

Согласно этим рекомендациям, многоволновые системы передачи работают в 3-ем

окне прозрачности ОВ, т.е. в диапазоне длин волн 1530-1565 нм. Для этого

установлен стандарт длин волн, представляющий собой сетку оптических

частот, в которой расписаны регламентированные значения оптических частот в

диапазоне 196,1-192,1 ТГц с интервалами 100 ГГц и длины волн - 1528,77-

1560,61 нм с интервалом 0,8 нм. Стандарт состоит из 41 длины волны, т.е.

рассчитан на 41 спектральный канал. Но на практике используется 39 каналов

из представленной сетки частот, поскольку два крайних не используются, так

как они находятся на склонах частотной характеристики оптических

усилителей, применяемых в системах WDM.

Рис. 1.1. Простейшая структурная схема системы передачи WDM.

В последнее время установилась четкая тенденция уменьшения частотного

интервала между спектральными каналами до 50 ГГц и даже до 25 ГГц, что

приводит к более плотному расположению спектральных каналов в отведенном

диапазоне длин волн (1530-1565 нм). Такое уплотнение получило название

DWDM. Очевидно, что DWDM вызвано стремлением увеличить количество

передаваемых каналов. Отметим также, что в настоящее время аббревиатура

DWDM закрепилась и для систем с многоволновым уплотнением, у которых

частотный интервал между каналами равен 100 ГГц.

В настоящее время в оборудовании систем связи с DWDM, рассчитанных

для передачи до 32-х каналов, ряд фирм применяет длину волны 1510 нм, а

некоторые — 1625 нм. Но с увеличением количества передаваемых каналов до

128 и более возникает необходимость освоения более длинноволновой части

оптического спектра, в частности L-диапазона (или 4-е окно прозрачности

ОВ), в который будет входить длина волны 1625 нм.

Создание систем передачи DWDM потребовало разработки целого ряда как

активных, так и пассивных квантовых и оптических элементов и устройств с

высокостабильными параметрами. Сюда относятся полупроводниковые лазеры с

узкой спектральной шириной линии излучения (менее 0,05 нм) при стабильности

не хуже ± 0,04 нм. Волоконно-оптические усилители должны иметь стабильный

коэффициент усиления, малую неравномерность коэффициента усиления, (< ± 0,5

дБ) во всем спектральном диапазоне усиления и ряд других характеристик.

Среди пассивных элементов наиболее ответственными являются оптические

мультиплексоры/ демультиплексоры для большого количества каналов при работе

в одном окне прозрачности (1530-1565 нм). Расстройка по длине волны этих

элементов не должна превышать 0,05 нм. Такая стабильность обеспечивается

жесткой температурной стабилизацией этих элементов с точностью не хуже ±

1°С. Все это резко повышает стоимость систем DWDM.

Глава 2. Основные сведения о ВОЛС

В волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) информация передается

электромагнитными волнами высокой частоты, около 200 ТГц, что соответствует

ближнему инфракрасному диапазону оптического спектра 1500 нм. Волноводом,

переносящим информационные сигналы в ВОСП, является оптическое волокно

(ОВ), которое обладает важной способностью передавать световое излучение на

большие расстояния с малыми потерями. Потери в ОВ количественно

характеризуются затуханием. Скорость и дальность передачи информации

определяются искажением оптических сигналов из-за дисперсии и затухания.

Волоконно-оптическая сеть - это информационная сеть, связующими элементами

между узлами которой являются волоконно-оптические линии связи. Технологии

волоконно-оптических сетей помимо вопросов волоконной оптики охватывают

также вопросы, касающиеся электронного передающего оборудования, его

стандартизации, протоколов передачи, вопросы топологии сети и общие вопросы

построения сетей.

Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной

физической средой для передачи информации, а также самой перспективной

средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.

Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим

волноводам:

- широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно

высокой частотой несущей [pic]Гц. Это означает, что по оптической

линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка

[pic]бит/с (1Тбит/с). Говоря другими словами, по одному волокну можно

передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион

видеосигналов. 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.

Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые

сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную

способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по

плотности передаваемой информации по оптическому волокну не

достигнут;

- очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового

сигнала в оптическом волокне. Лучшие образцы российского волокна

имеют затухание 0,22 дБ/км на длине волны 1,55 мкм, что позволяет

строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для

сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1,55 мкм имеет

затухание 0,154 дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются

еще более «прозрачные», так называемые фторцирконатные оптические

волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны

2,5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких

волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками

через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с;

- ОВ изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись

кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в

отличие от меди;

- 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;

- т.к. оптические волокна являются диэлектриками, следовательно, при

строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая

развязка сегментов. В оптической системе они электрически полностью

изолированы друг от друга, и многие проблемы, связанные с заземлением

и снятием потенциалов, которые до сих пор возникали при соединении

электрических кабелей, теряют свою актуальность. Применяя особо

прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают самонесущие

подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в

электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах

существующих линий электропередач, как отдельно, так и встроенные в

фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля

через реки и другие преграды;

- 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

ОВ могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного

контроля) целостности линии;

- важное свойство оптического волокна - долговечность. Время жизни

волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах,

превышает 25 лет, что позволяет проложить волоконно-оптический кабель

один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность

канала путем замены приемников и передатчиков на более

быстродействующие.

Но существуют также некоторые недостатки волоконно-оптических

технологий:

- при создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы,

преобразующие электрические сигналы в свет, и свет в электрические

сигналы. Для соединения ОВ с приемо-передающим оборудованием

используются оптические коннекторы (соединители), которые должны

обладать малыми оптическими потерями и большим ресурсом на

подключение-отключение. Погрешности при изготовлении таких элементов

линии связи должны быть порядка доли микрона, т.е. соответствовать

длине волны излучения. Поэтому производство этих компонентов

оптических линий связи очень дорогостоящее;

- другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических

волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое

оборудование.

Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на

восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.

Преимущества от применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС)

настолько значительны, что, несмотря, на перечисленные недостатки

оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи

информации.

2.1. Волоконно-оптические кабели

Одним из важнейших компонентов ВОЛС является волоконно-оптический

кабель (ВОК).

Определяющими параметрами при производстве ВОК являются условия

эксплуатации и пропускная способность линии связи.

По условиям эксплуатации кабели подразделяют на:

- монтажные;

- станционные;

- зоновые;

- магистральные.

Первые два типа кабелей предназначены для прокладки внутри зданий и

сооружений. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую

строительную длину.

Кабели последних двух типов предназначены для прокладки в колодцах

кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти

кабели имеют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух

километров.

Для обеспечения большой пропускной способности линии связи

производятся ВОК, содержащие небольшое число (до 8) одномодовых волокон с

малым затуханием, а кабели для распределительных сетей могут содержать до

144 волокон как одномодовых, так и многомодовых, в зависимости от

расстояний между сегментами сети.

При изготовлении ВОК в основном используются два подхода:

- конструкции со свободным перемещением элементов;

- конструкции с жесткой связью между элементами.

По видам конструкций различают кабели повивной скрутки, пучковой

скрутки, кабели с профильным сердечником, а также ленточные кабели.

Существуют многочисленные комбинации конструкций ВОК, которые в сочетании с

большим ассортиментом применяемых материалов позволяют выбрать исполнение

кабеля, наилучшим образом удовлетворяющее всем условиям проекта, в том

числе - стоимостным.

Особый класс образуют кабели, встроенные в грозозащитный трос

(оптические волокна укладываются в стальные трубки, которые заменяют провод

заземления), используемые для подвески на опорах воздушных линий

электропередачи [4]. Такие кабели характеризуются способностью выдерживать

высокие механические и электрические нагрузки, обладают высокой

молниестойкостью и высокой стойкостью к вибрации, и предназначены для

соединения электростанций и станций управления, используя действующие

высоковольтные линии.

2.1.1. Соединение оптических волокон

Развитие волоконно-оптических телекоммуникационных технологий в

основном определяется качеством волоконно-оптических кабелей (ВОК) на

многомодовых и одномодовых оптических волокнах, изготовленных методом

покрытия кварцевой жилы полимерными или кварцевыми материалами. Некоторые

из этих волокон в настоящее время по ряду характеристик приблизились к

предельно возможным показателям. Так, одномодовое волокно с рабочей длиной

волны 1,55 мкм практически достигло предела по затуханию, равного 0,154

дБ/км. Это позволило в настоящее время строить регенерационные участки

длиной до 200 км и более, снижая тем самым затраты на строительство

волоконно-оптических линий связи. Однако ввиду естественных ограничений

производить волокна таких длин не представляется возможным. Поэтому

осуществляют соединение оптических волокон, называя участок между

соединениями строительной длиной. Снижение коэффициента затухания

оптического волокна обуславливает ужесточение требований к качеству

соединений. Это объясняется тем, что число таких соединений, как правило,

достаточно велико. Иные требования предъявляются к устройствам соединения

волоконно-оптических кабелей, предназначенных для локальных сетей, имеющих

небольшие длины участков. Данные устройства должны быть компактными,

допускать многоразовое соединение и отличаться простотой выполнения

соединения [5].

2.2. Оптическое волокно. Общие положения

Важнейший из компонентов ВОЛС - оптическое волокно. Для передачи

сигналов применяются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Свое

название волокна получили от способа распространения в них излучения.

Оптическое волокно (рис. 2.1) состоит из сердцевины, по которой

происходит распространение световых волн, и оболочки, предназначенной, с

одной стороны, для создания лучших условий отражения на границе раздела

«сердцевина - оболочка», а с другой - для снижения излучения энергии в

окружающее пространство. С целью повышения прочности и тем самым надежности

волокна поверх оболочки, как правило, накладываются защитные упрочняющие

покрытия.

Рис 2.1. Общий вид типового ОВ.

Такая конструкция ОВ используется в большинстве оптических кабелей

(ОК) в качестве базовой [5]. Сердцевина изготавливается из оптически более

плотного материала. Оптические волокна отличаются диаметром сердцевины и

оболочки, а также профилем показателя преломления сердцевины, т.е.

зависимостью показателя преломления от расстояния от оси ОВ (см. рис 2.3).

Все оптические волокна делятся на две основные группы: многомодовые

MMF (multi mode fiber) и одномодовые SMF (single mode fiber). В

многомодовых ОВ, имеющих диаметр светонесущей жилы на порядок больше длины

волны передачи, распространяется множество различных типов световых лучей -

мод. Многомодовые волокна разделяются по профилю показателя преломления на

ступенчатые (step index multi mode fiber) и градиентные (graded index multi

mode fiber).

2.3. Распространение световых лучей в оптических волокнах

Основными факторами, влияющими на характер распространения света в

волокне, наряду с длиной волны излучения, являются: геометрические

параметры волокна, затухание, дисперсия.

Рис. 2.2. Распространение излучения по ступенчатому и градиентному

многомодовым и одномодовому ОВ.

Принцип распространения оптического излучения вдоль оптического

волокна основан на явлении полного внутреннего отражения на границе сред с

разными показателями преломления. Процесс распространения световых лучей в

оптически более плотной среде, окруженной менее плотной показан на рис.

2.2. Угол полного внутреннего отражения, при котором падающее на границу

оптически более плотной и оптически менее плотной сред излучение полностью

отражается, определяется соотношением:

[pic], (2.3.1)

где n1 - показатель преломления сердцевины ОВ, n2 - показатель

преломления оболочки ОВ, причем n1 > n2. При попадании светового излучения

на торец ОВ в нем могут распространяться три типа световых лучей,

называемые направляемыми, вытекающими и излучаемыми лучами, наличие и

преобладание какого-либо типа лучей определяется углом их падения на

границу раздела «сердцевина - оболочка». Те лучи, которые падают на границу

раздела под углом [pic] (лучи 1, 2 и 3), отражаются от нее и вновь

возвращаются в сердцевину волокна, распространяясь в ней и не претерпевая

преломления. Так как траектории таких лучей полностью расположены внутри

среды распространения — сердцевины волокна, они распространяются на большие

расстояния и называются направляемыми.

Лучи, падающие на границу раздела под углами [pic] (лучи 4), носят

название вытекающих лучей (лучей оболочки). Достигая границы «сердцевина -

оболочка», эти лучи отражаются и преломляются, теряя каждый раз в оболочке

волокна часть энергии, в связи с чем исчезают вовсе на некотором расстоянии

от торца волокна. Лучи, которые излучаются из оболочки в окружающее

пространство (лучи 5), носят название излучаемых лучей и возникают в местах

нерегулярностей или из-за скручивания ОВ. Излучаемые и вытекающие лучи

являются паразитными и приводят к рассеиванию энергии и искажению

информационного сигнала.

2.4. Моды, распространяющиеся в оптических волноводах

В общем случае распространение электромагнитных волн описывается

системой уравнений Максвелла в дифференциальной форме:

[pic] (2.4.1)

где [pic]- плотность электрического заряда, [pic] и [pic] –

напряженности электрического и магнитного полей соответственно, [pic]–

плотность тока, [pic] и [pic] – электрическая и магнитная индукции.

Если представить напряженность электрического и магнитного поля

[pic] и [pic] при помощи преобразования Фурье [5]:

[pic], (2.4.2)

то волновые уравнения примут вид:

[pic], (2.4.3)

где [pic] - оператор Лапласа.

Световод можно представить идеальным цилиндром с продольной осью z,

оси х и у в поперечной (ху) плоскости образуют горизонтальную (xz) и

вертикальную (xz) плоскости. В этой системе существуют 4 класса волн (Е и Н

ортогональны):

поперечные Т: Ez = Нz = 0; Е = Еy; Н = Нx;

электрические Е: Еz = 0, Нz = 0; Е = (Еy , Еz) - распространяются в

плоскости (yz); Н = Нx ;

магнитные Н: Нz = 0, Еz = 0; Н = (Нx , Нz) - распространяются в

плоскости (xz), E = Ez;

смешанные ЕН или НЕ: Еz = 0, Нz = 0; Е = (Еy , Еz), Н = (Нx , Нz) -

распространяются в плоскостях (xz) и (yz).

При решении системы уравнений Максвелла удобнее использовать

цилиндрические координаты (z, r, ?), при этом решение ищется в виде волн с

компонентами Ez , Нz вида:

[pic], (2.4.4)

где [pic] и [pic] - нормирующие постоянные, [pic] - искомая функция,

[pic] - продольный коэффициент распространения волны.

Решения для [pic] получаются в виде наборов из m (появляются целые

индексы m) простых функций Бесселя [pic] для сердцевины и модифицированных

функций Ханкеля [pic] для оболочки, где [pic] и [pic] - поперечные

коэффициенты распространения в сердцевине и оболочке соответственно, [pic]

- волновое число. Параметр [pic] определяется как решение

характеристического уравнения, получаемого из граничных условий, требующих

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5


ИНТЕРЕСНОЕ



© 2009 Все права защищены.