Оптоволоконные линии связи

Источники излучения инжектируемого в волокно  имеют конечную полосу частот. Так  светоизлучающие диоды излучают свет с шириной полосы 35 нм, а лазеры 2-3 нм (лазеры имеют, кроме того, более  узкую диаграмму направленности, чем диоды). Характеристики светодиодов  и инжекционных лазерных диодов приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Характеристики  светодиодов и инжекционных лазерных диодов

 

Время нарастания фотодиода ограничивает быстродействие системы. Не малую роль играет и уровень  шумов на входе приемника. При  этом световой импульс должен нести  достаточно энергии (заметно больше уровня шума), чтобы обеспечить низкий уровень ошибок. В таблице 2 приведены характеристики оптических приемников. 

 

Приемные  устройства и их характеристики

Таблица 2.

Характеристики  оптических приемников

 

Поглощение  света в волокне происходит по нескольким причинам. Поглощение в  собственно стекле волокна падает с  частотой, в то время как потери из-за рассеяния на дефектах стекла (релеевское рассеяние) с увеличением частоты растет. При сгибании волокна поглощение увеличивается. По этой причине следует избегать малых радиусов изгиба (кроме всего прочего это может привести и к обрыву). В результате потери света в волокне обычно лежит в диапазоне (2-5) дБ/км для длин волн 0,8 - 1,8 m. Зависимость поглощения света в волокне от длины волны показана на рис. 3. Используемые диапазоны отмечены на рисунке зеленым цветом. Все эти диапазоны имеют ширину 25000-30000 ГГц.

Рисунок 4. Зависимость поглощения света в волокне от длины волны

 

Диапазоны длин волн

ITU стандартизовал  диапазоны длин волн, отображенные на рис. 5

Рисунок 5. Стандартные диапазоны длин волн ITU

В настоящее  время стандартизовано 6 диапазонов длин волн. Смотри таблицу ниже.

Таблица 3

Диапазоны длин волн

 

Из рисунка  видно, что минимумы поглощения приходятся на 1300 и ~1500 нм, что и используется для целей телекоммуникаций. При  длине волны 1300 нм дисперсия скоростей  распространения различных длин волн минимальна. Диапазон ~850 нм характеризуется  высоким поглащением, но он привлекателен тем, что как лазеры, так и электроника могут быть изготовлены из одного материала (арсенида галлия). Используемые оптические диапазоны выделены зеленым цветом. Зависимость дисперсии от длины волны показана на рис. 6.

Рисунок 6. Зависимость дисперсии от длины волны

Из рисунка  видно, что в области ниже 1300 нм более длинные волны движутся быстрее коротких. Для длин волн >1300нм имеет место обратная ситуация - более длинные волны движутся медленнее коротких. Для одномодовых волокон определяющий вклад в искажения вносится дисперсией скоростей распространения, для многомодовых основной вклад вносит модовая дисперсия. Зависимость полосы пропускания волокна от его длины приведена на рис. 7.

Рисунок 7. Зависимость полосы пропускания волокна от его длины

Типовые характеристики оптических волокон приведены в  таблице 4. (См. также Дональд Дж. Стерлинг, Волоконная оптика. Техническое руководство. Изд. “ЛОРИ, Москва, 1998 а также Дж. Гауэр, Оптические системы связи. Москва, “Радио и связь”, 1989)

 

Характеристики  волокон

Таблица 4.

Типовые характеристики оптических волокон

 

Одним из критических  мест волоконных систем являются сростки  волокон и разъемы. Учитывая диаметр  центральной части волокна, нетрудно предположить, к каким последствиям приведет смещение осей стыкуемых волокон  даже на несколько микрон (особенно в одномодовом варианте, где диаметр центрального ядра менее 10 микрон) или деформация формы сечения волокон. 

Соединители для оптических волокон имеют  обычно конструкцию, показанную на рис. 8, и изготовляются из керамики. Потеря света в соединителе составляет 10-20%. Для сравнения сварка волокон приводит к потерям не более 1-2%. Существует также техника механического сращивания волокон, которая характеризуется потерями около 10% (splice). Оптические аттенюаторы для оптимального согласования динамического диапазона оптического сигнала и интервала чувствительности входного устройства представляют собой тонкие металлические шайбы, которые увеличивают зазор между волокном кабеля и приемником.

Рисунок 8. Схема оптического разъема

Если длина  волокна должна быть велика из-за расстояния, которое нужно перекрыть, а потребителей по дороге нет, приходится ставить промежуточные  усилители сигнала (присутствие  ЭВМ необязательно).

Рисунок 9. Промежуточный волоконный усилитель

С использованием оптических волокон можно создавать  не только кольцевые структуры. Возможно построение фрагмента сети, по характеру  связей эквивалентного кабельному сегменту или хабу. Схема такого фрагмента сети представлена на рис. 10 (пассивный хаб-концентратор). Базовым элементом этой субсети является прозрачный цилиндр, на один из торцов которого подключаются выходные волокна всех передатчиков интерфейсов устройств, составляющих субсеть. Сигнал с другого торца через волокна поступает на вход фото приемников интерфейсов. Таким образом, сигнал, переданный одним из интерфейсов, поступает на вход всех остальных интерфейсов, подключенных к этой субсети. При этом потери света составляют 2С + S + 10*log(N), где С - потери в разъеме, S - потери в пассивном разветвителе, а N - число оптических каналов (N может достигать 64). Современные микросхемы приемо-передатчиков (корпус DIP) имеют встроенные разъемы для оптического кабеля (62,5/125мкм или 10/125 мкм). Некоторые из них (например, ODL 200 AT&T) способны осуществлять переключение на обходной оптический путь (bypass) при отключении питания.

Пассивные разветвители

Рисунок 10. Схема пассивного оптоволоконного хаба

В последнее  время заметного удешевления  оптических каналов удалось достичь  за счет мультиплексирования с делением по длине волны. За счет этой техники  удалось в 16-160 раз увеличить широколосность канала из расчета на одно волокно. Схема мультиплесирования показана на рис. 11. На входе канала сигналы с помощью призмы объединяются в одно общее волокно. На выходе с помощью аналогичной призмы эти сигналы разделяются. Число волокон на входе и выходе может достигать 32 и более (вместо призм в последнее время используются миниатюрные зеркала, где применяется 2D-развертка (или 3D)по длине волны). Разработка технологии получения особо чистого материала волокон позволила раширить полосу пропускания одномодового волокна до 100 нм (для волокон с l =1550нм). Полоса одного канала может лежать в диапазоне от 2 до 0,2 нм. Эта технология в самое ближайшее время расширит скорость передачи данных по одному волокну с 1 до 10 Тбит/с.

Мультиплексирование/демультиплексирование  по длине волны

Рисунок 11. Мультиплексирование с делением по длине волны в оптическом волокне

Рисунок 12. Схема многоканального мультиплексирования с делением по длине волны в оптическом волокне. TE - терминальное оборудование; L - лазер; M/D - оптический мультиплексор-демультиплексор

Рисунок 13. Схема перенаправления оптических информационных потоков (RINGrid-WP3-D3_1-JKU. State of the art in Networks and Grid Infrastructures. Contract no. 031891)

Для осуществления  требуемой маршрутизации часто  бывает нужно в коммутационном узле сменить длину волны потока. Схема  этой опреации показана на рис. 14 (a) OADM - (optical adddrop multiplexer), (b) OXC - (optical cross-connect) - оптическая коммутация , (c) OXC со сменой длины волны.

Рисунок 14. Схема перенаправления оптических информационных потоков со сменой длины волны и без (RINGrid-WP3-D3_1-JKU. State of the art in Networks and Grid Infrastructures. Contract no. 031891)