Современный уровень развития волоконно-оптических линий связи

Федеральное агентство по образованию

Кировский филиал

Государственного  образовательного  учреждения

высшего профессионального образования

Санкт –  Петербургский Государственный  Университет Сервиса и Экономики  
 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа Реферат Контрольная  работа 

по дисциплине:    информатика 
_________________________________________________________ 

на тему: Современный уровень развития  
                                          волоконно-оптических линий связи 
__________________________________________________________ 
 
 
 
 

Выполнил  студент: Козлов    
                    Алексей Васильевич 
Шифр студента:__________________

     Специальность: __________________

     Отделение: ______________________

     Курс  ___________________________ 

     Проверил: _______________________ 
 
 
 
 
 
 

г. Киров

2012г.

     Введение

Волоконно-оптические линии связи

     В XX веке человечество было свидетелем огромного  скачка в развитии различных видов  связи, особенно телефонии, радио и  телевидения.Благодаря им, а также благодаря появлению спутниковой космической системы связи современный человек получил недоступную прежним поколениям возможность связываться с самыми дальними и глухими уголками планеты, видеть, слышать и знать обо всем, что происходит в мире. Однако при всех достоинствах традиционных видов связи каждому из них присущ и целый ряд недостатков, которые становятся все более чувствительными по мере нарастания объемов передаваемой информации. Несмотря на новейшие технологии, позволяющие значительно уплотнить передаваемую по кабелю информацию, магистральные телефонные линии все равно часто оказываются перегруженными. Примерно то же можно сказать о радио и телевидении, в которых информационные сигналы переносятся с помощью электромагнитных волн: все возрастающее количество телеканалов и радиостанций, вещательных и служебных, привело к возникновению взаимных помех, к ситуации, получившей название «тесноты в эфире». Это стало одним из толчков к освоению все более коротковолновых диапазонов радиоволн. Известно: чем короче используемые для вещания волны, тем больше радиостанций без взаимных помех может разместиться в данном диапазоне (это легко видеть, вращая настройку радиоприемника: если на длинных волнах мы можем поймать всего несколько радиостанций, то на коротких и ультракоротких волнах таких радиостанций уже десятки и сотни, они в буквальном смысле слова «сидят на каждом миллиметре»). Другой недостаток традиционных видов состоит в том, что для передачи информации вообще не выгодно пользоваться волнами, излучаемыми в свободное пространство. Ведь энергия, приходящаяся на какую-то определенную площадь фронта такой волны, убывает по мере увеличения фронта волны. Для сферической волны (то есть такой, которая распространяется равномерно во все стороны от источника) ослабление обратно пропорционально квадрату расстояния от источника волны до приемника. В результате, в современной радиотехнике тратятся огромные средства на выделение и усиление полезного сигнала. Совсем другая картина была бы в том случае, если бы информация посылалась узким направленным пучком или лучом. Потери при этом были бы намного меньше. Перечисленные недостатки заставляют предположить, что человечество находится на пороге важной революции в системе связи, которая приведет к тому, что в XXI веке основным ее видом станет оптоэлектроника, не имеющая всех этих недостатков. Ожидается, что уже в первые десятилетия наступающего столетия все новые телефонные, телевизионные и вычислительные системы будут соединяться волоконно-оптическими кабелями с использованием в качестве носителя информации лазерного излучения.

 

1.Особенности  оптических систем  связи. 

     Волоконно-оптические линии связи - это вид связи, при      котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным  под названием "оптическое волокно". 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.  

1.1 Физические особенности.

     Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой несущей частотой. Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 1.1 Терабит/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 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 фтороцирконатные 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.  

1.2 Технические особенности.

     Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в  отличие от меди.

Оптические волокна  имеют диаметр около 1 – 0,2 мм, то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для  использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике.

Стеклянные волокна - не металл, при строительстве систем связи автоматически достигается  гальваническая развязка сегментов. 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 волокно могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии. Теоретически существуют способы обойти защиту путем мониторинга, но затраты на реализацию этих способов будут столь велики, что превзойдут стоимость перехваченной информации.

Для обнаружения  перехватываемого сигнала понадобится  перестраиваемый интерферометр  Майкельсона специальной конструкции. Причем, видность интерференционной картины может быть ослаблена большим количеством сигналов, одновременно передаваемых по оптической системе связи. Можно распределить передаваемую информацию по множеству сигналов или передавать несколько шумовых сигналов, ухудшая этим условия перехвата информации. Потребуется значительный отбор мощности из волокна, чтобы несанкционированно принять оптический сигнал, а это вмешательство легко зарегистрировать системами мониторинга.

Важное свойство оптического волокна - долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет  проложить оптико-волоконный кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем  замены приемников и передатчиков на более быстродействующие.

     Есть  в волоконной технологии и свои недостатки:

 При создании  линии связи требуются активные  высоконадежные элементы, преобразующие  электрические сигналы в свет  и свет в электрические сигналы.  Необходимы также оптические  коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.

     Другой  недостаток заключается в том, что  для монтажа оптических волокон  требуется дорогостоящее технологическое  оборудование. а) инструменты для  оконцовки. б) коннекторы. в) тестеры. г) муфты и спайс-касеты

Как следствие, при аварии (обрыве) оптического  кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.  
 
 
 

2. Оптическое волокно 

     Промышленность  многих стран освоила выпуск широкой  номенклатуры изделий и компонентов  ВОЛС. Следует заметить, что производство компонентов ВОЛС, в первую очередь  оптического волокна, отличает высокая  степень концентрации. Большинство  предприятий сосредоточено в  США. Обладая главными патентами, американские фирмы (в первую очередь это относится  к фирме "CORNING GLASS") оказывают влияние на производство и рынок компонентов ВОЛС во всем мире, благодаря заключению лицензионных соглашений с другими фирмами и созданию совместных предприятий.

Важнейший из компонентов  ВОЛС - оптическое волокно. Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Свое название волокна получили от способа распространения излучения в них. Волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления.

В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10 мкм, то есть сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода).

В многомодовом волокне размер световодной жилы порядка 50-60 мкм, что делает возможным распространение большого числа лучей (много мод).

Оба типа волокна  характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией.

Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и на рассеяние  излучения в оптическом волокне.

Потери на поглощение зависят от чистоты материала, потери на рассеяние зависят от неоднородностей  показателя преломления материала.

Затухание зависит  от длины волны излучения, вводимого  в волокно. В настоящее время  передачу сигналов по волокну осуществляют в трех диапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность.

Другой важнейший  параметр оптического волокна - дисперсия. Дисперсия - это рассеяние во времени  спектральных и модовых составляющих оптического сигнала. Существуют три типа дисперсии: модовая, материальная и волноводная.

Модовая дисперсия - присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно.

Материальная  дисперсия - обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны.

Волноводная дисперсия - обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.

Поскольку светодиод  или лазер излучает некоторый  спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространению по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке пользуются термином "полоса пропускания" - это величина, обратная к величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в МГц*км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.

Если при распространении  света по многомодовому волокну, как правило, преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну присущи только два последних типа дисперсии.

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 одномодывое волокна сложно сращивать с малыми потерями. Оконцевание одномодовых кабелей оптическими разъемами также обходится дороже.

Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как в них размер световодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовых волокнах. Многомодовый кабель проще оконцевать оптическими разъемами с малыми потерями (до 0.3 dB) в стыке. 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.  

3. Применение ВОЛС  в вычислительных  сетях 

     Наряду  со строительством глобальных сетей  связи оптическое волокно широко используется при создании локальных  вычислительных сетей (ЛВС).