Принцип передачи света по оптоволокну

1.1 Оптическая связь

Принцип системы оптической связи заключается в передаче сигнала через оптоволокно к удаленному приёмнику. Электрический сигнал преобразуется в оптический и в таком виде передаётся на расстояние. В приёмном устройстве он обратно переходит в исходную электрическую форму. У волоконно-оптической связи есть множество преимуществ перед другими типами передачи информации, такими как медные жилы и системы радиосвязи.

• Сигнал может быть передан без регенерации на большое расстояние (200 км).

• Оптоволоконная передача не чувствительна к электромагнитным помехам. Кроме того, волокно не проводит электричество и фактически нечувствительно к радиочастотной интерференции.

• Оптические системы обеспечивают большее количество каналов чем физические цепи.

• Оптический кабель намного легче и тоньше чем кабель с металлическими жилами и волокна занимают в нём небольшой объём. Например, один оптоволоконный кабель может содержать 144 волокна.

• Оптическое волокно очень надёжно.

• У оптического волокна срок эксплуатации больше 25-и лет (по сравнению с 10 годами систем спутниковой связи).

• Рабочие температуры для оптического волокна изменяются, но они обычно они лежат в диапазоне от -40° до +80°C

Группа факторов ухудшают пропускание света в оптической системе связи:

1. Затухание: Поскольку световой сигнал перемещается через волокно, он теряет мощность из-за поглощения, рассеивания, и других потерь. С некоторым расстоянием мощность сигнала может уменьшиться до уровня собственных шумов приёмника.

2. Пропускная способность: Оптоволокно имеет ограниченный частотную полосу пропускания и если световой сигнал использует несколько частот, то это явление уменьшает информационную пропускную способность.

3. Дисперсия: Импульсы света распространяющиеся в волокне расширяются и тем ограничивают информационную пропускную способность на высоких скоростях передачи или укорачивается её расстояние.

1.2 Строение оптоволокна

Оптический волновод это тонкая стеклянная нить, окруженная пластиковым защитным покрытием. Нить оптоволокна состоит из двух частей: внутренняя сердцевина и наружная оболочка. Свет, введенный в стеклянную сердцевину проходит в ней многократно отражаясь от её границы с оболочкой.

Строение оптического волокна

1.3 Принципы передачи

Луч света вводится в волокно под малым углом α. Возможность оптоволокна принять свет в сердцевину (максимальное приемлемое значение угла) определяется его числовой апертурой (NA)

Где α₀ — максимальный угол ввода (то есть, предельный угол между осью и углом полного отражения сердцевины), n₁ показатель преломления сердцевины и n₂; показатель преломления оболочки.
Ввод света в оптоволокно

Полный приемный конус оптического волокна определяется как 2α₀

1.3.1 Распространение света в оптоволокне

Распространение луча света в оптическом волокне происходит по закону Снелла-Декарта. Часть света вводится через полный приемный конус оптоволокна.

1.3.1.1 Преломление

Явление преломления выражается в изменении угла прохождения луча света через границу двух сред. Если α > α₀, то луч полностью преломляется и выходит из сердцевины.

Преломление света

1.3.1.2 Отражение

Отражение является изменением направления светового луча на границе между двумя средами. В этом случае, световой луч возвращается в сердцевину, из которой он произошел.

1.3.2 Скорость

Скорость с которой свет перемещается через среду передачи определяется показателем преломления этой среды. Показатель преломления среды (n) является коэффициентом отношения скорости света в вакууме к скорости света в этой среде.

Где n является показателем преломления среды передачи, с скорость света в вакууме (2.99792458 · 10 8 м\с), и v скорость света в среде передачи.

Типичные значения n для стекла используемого в качестве оптоволокна лежит между 1.45 и 1.55. Как правило, чем выше показатель преломления, тем меньше скорость в среде передачи.

Сравнение скорости прохождения света через различные среды

Значения типичного показателя преломления разных производителей и различных типов оптоволокна:

• Corning® LEAF®
n = 1.468 в 1550 нм
n = 1.469 в 1625 нм

• OFS TrueWave® REACH
n = 1.471 в 1310 нм
n = 1.470 в 1550 нм

1.3.3 Пропускная способность

Пропускная способность зависит от ширины частотного диапазона, на котором способно работать оптическое волокно. Пропускную способность волокна определяет максимальная информационная емкость канала, который может быть передан вдоль волокна по данному расстоянию. Пропускная способность вырается в МГц o км. В многомодовом оптоволокне пропускная способность, главным образом, ограниченна модовой дисперсией; тогда как такое ограничение отсутствует для одномодовых волокон.

Пропускная способность оптической линии в зависимости от типа волокна

Неофициальный перевод книги Reference Guide to Fiber Optic Testing. Second edition. 2011 J. Laferriere, G. Lietaert, R. Taws, S. Wolszczak. Англоязычный вариант книги доступен в сети Интернет и состоит из трёх частей: две части — основной материал и третья часть — глоссарий. На данный момент книга переведена не вся и материал будет дополняться в процессе. Заранее извиняюсь за ошибки перевода. Со страниц сайта доступны главы:

Источник

Принцип преобразования и передачи информации по оптоволокну

Современные линии связи, предназначенные для передачи информации на большие расстояния, часто представляют собой именно волоконно-оптические линии, в силу достаточно высокой эффективности данной технологии, которую она на протяжении многих лет успешно демонстрирует, например — в качестве средства обеспечения широкополосного доступа в Интернет.

Само волокно состоит из стеклянной сердцевины, окруженной оболочкой с меньшим чем у сердцевины показателем преломления. Световой луч, отвечающий за передачу информации по линии, распространяется по сердцевине волокна, отражается на своем пути от оболочки, и таким образом не выходит за пределы передающей линии.

Источником света для формирования луча обычно служит диодный или полупроводниковый лазер, тогда как само волокно, в зависимости от диаметра сердцевины и распределения показателя преломления, может быть одномодовым или многомодовым.

Оптическое волокно в линиях связи превосходит электронные средства связи, позволяя с высокой скоростью и без потерь транслировать цифровые данные на огромные расстояния.

Принципиально оптоволоконные линии могут образовывать самостоятельную сеть, либо служить для объединения уже существующих сетей — участков магистралей оптических волокон, объединенных физически на уровне световода, либо логически — на уровне протоколов передачи данных.

Скорость передачи данных по ВОЛС может измеряться сотнями гигабит в секунду, как например стандарт 10 Гбит Ethernet, используемый на протяжении многих лет в современных телекоммуникационных структурах.

Годом изобретения оптоволокна считается 1970-й, когда Питер Шульц, Дональд Кек и Роберт Маурер — ученые из компании Corning — изобрели оптическое волокно с низким уровнем потерь, открывшее возможность дублировать проводную передающую систему телефонного сигнала без использования ретрансляторов. Разработчики создали проводник, позволяющий сохранить 1% мощности оптического сигнала на расстоянии 1 километра от источника.

Для технологии это был переломный момент. Изначально линии были рассчитаны на одновременную передачу сотен световых фаз, позже было разработано однофазное волокно большей производительности, способное сохранять сигнал целостным на большем расстоянии. Однофазное волокно с нулевым смещением длины волны, с 1983 года и по сей день, является наиболее востребованным типом оптоволокна.

Для передачи данных через оптоволокно, сигнал должен быть сначала преобразован из электрического вида в оптический, затем передан по линии, а после — преобразован в приемнике обратно в электрический. Все устройство называется приемопередатчиком, и включает в себя не только оптические, но и электронные компоненты.

Итак, первый элемент волоконно-оптической линии — оптический передатчик. Он преобразует последовательность данных, подаваемых в электрической форме — в оптический поток. В передатчик входят: параллельно-последовательный преобразователь с синтезатором синхроимпульсов, драйвер и источник оптического сигнала.

Источником оптического сигнала может выступать лазерный диод или светодиод. В системах телесвязи обычные светодиоды не используются. Ток смещения и модулирующий ток для прямого модулирования лазерного диода подается с лазерного формирователя. Далее уже свет подается через оптический соединитель — в волокно оптического кабеля.

На другой стороне линии сигнал и синхросигнал обнаруживаются оптическим приемником (прежде всего — фотодиодным датчиком), где они преобразуются в электрический сигнал, который усиливается, а затем восстанавливается форма переданного сигнала. В частности, поток последовательных данных может быть преобразован в параллельный.

За преобразование асимметричного тока с фотодиодного датчика в напряжение, за его последующее усиление и преобразование в дифференциальный сигнал, — отвечает предусилитель. Микросхема синхронизации и восстановления данных восстанавливает синхросигналы и их тактирование из принимаемого потока данных.

Мультиплексор с разделением времени позволяет достичь скорости передачи данных до 10 Гб/сек. Так, сегодня существуют следующие стандарты скорости передачи данных по оптоволоконным системам:

Еще больше повысить плотность передачи данных позволяют спектральное уплотнение и мультиплексное разделение длины волны, когда несколько мультиплексных потоков данных посылаются по одному каналу, но каждый поток на своей длине волны.

Одномодовое волокно отличается достаточно малым внешним диаметром сердечника — около 8 мкм. Такое волокно позволяет распространять через себя один единственный луч конкретной частоты, соответствующей характеристикам данного волокна. Когда луч идет один, исчезает проблема межмодовой дисперсии, в результате повышается производительность линии.

Плотность распределения материала может быть градиентной или ступенчатой. Градиентное распределение позволяет добиться более высокой производительности. Одномодовая технология тоньше и дороже многомодовой, но именно одномодовая технология применяется в настоящее время в телекоммуникациях.

Многомодовое волокно позволяет одновременно распространять несколько лучей, вводимых в него для передачи под разными углами. Диаметр сердцевины обычно составляет 50 или 62,5 мкм, так что ввод оптического излучения облегчается. Стоимость приемо-передатчиков ниже чем для одномодовых.

Именно многомодовое оптоволокно хорошо подходит для небольших домашних и локальных сетей. Явление межмодовой дисперсии считается главным недостатком многомодового оптоволокна, так что для снижения этого вредного явления специально были разработаны волокна с градиентным показателем преломления, чтобы лучи распространялись по параболическим траекториям, и разность их оптических путей была меньше. Так или иначе, пропускная способность у одномодовой технологии все равно остается выше.

Источник

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Как работает волоконно-оптическая связь и почему она используется для высокоскоростной передачи данных

Что такое оптоволоконная связь

Оптоволоконная связь – это метод связи, при котором сигнал передается в виде света, а оптическое волокно используется в качестве среды передачи этого светового сигнала из одного места в другое. Сигнал, передаваемый по оптическому волокну, преобразуется из электрического сигнала в свет, а на приемном конце он преобразуется обратно в электрический сигнал из света. Отправляемые данные могут быть в форме аудио, видео или телеметрических данных, которые должны быть отправлены на большие расстояния или по локальным сетям. Оптоволоконная связь, обеспечивающая хорошие результаты при передаче данных на большие расстояния на высокой скорости, используется в качестве приложения для различных коммуникационных целей.

Как работает оптоволоконная связь

Процесс связи по оптоволокну передает сигнал в виде света, который сначала преобразуется в свет из электрических сигналов и передается, а затем, наоборот, происходит преобразование света в электрические сигналы на приемной стороне. Этот процесс можно объяснить с помощью диаграммы, как показано ниже.

На стороне передатчика, во-первых, если данные являются аналоговыми, они отправляются в схему кодера или преобразователя, которая преобразует аналоговый сигнал в цифровые импульсы 0,1,0,1… (в зависимости от того, какие данные) и передается через схему передатчика источника света. И если вход является цифровым, то он напрямую передается через схему передатчика источника света, которая преобразует сигнал в световые волны.

Световые волны, принимаемые от схемы передатчика к оптоволоконному кабелю, теперь передаются от местоположения источника к месту назначения и принимаются в блоке приемника.

Теперь на стороне приемника фотоэлемент, также известный как детектор света, получает световые волны от оптоволоконного кабеля, усиливает его с помощью усилителя и преобразует его в соответствующий цифровой сигнал. Теперь, если выходной источник является цифровым, тогда сигнал больше не изменяется, а если выходному источнику требуется аналоговый сигнал, тогда цифровые импульсы затем преобразуются обратно в аналоговый сигнал с использованием схемы декодера.

Весь процесс передачи электрического сигнала из одной точки в другую путем преобразования его в свет и использования оптоволоконного кабеля в качестве источника передачи известен как волоконно-оптическая связь.

Почему используется волокно

Волоконно-оптические провода заменили медный провод в качестве кабеля передачи, поскольку они имеют больше преимуществ, чем электрические кабели.

Причины ясно объясняют, что оптоволоконные кабели намного лучше, чем коаксиальные медные кабели, и именно поэтому оптоволоконные кабели предпочтительнее, чем обычные среды передачи.

Почему свет, а не электричество

Свет или лазерный луч (если быть точным) используется для связи по оптоволокну из-за того, что лазерный луч является источником света с одной длиной волны. В то время как другие световые сигналы, такие как солнечный свет или лампа накаливания, имеют много длин волн света, и в результате, если они используются для связи, они будут генерировать луч, который является очень менее мощным, и, с другой стороны, лазер, имеющий единственный луч, даст более мощный луч в качестве выхода.

Таким образом, меньшее рассеивание, передача большего количества сигналов и использование меньшего количества времени делают такой свет хорошим источником связи.

Характеристики волоконно-оптической связи

В оптоволоконной связи свет используется в качестве сигнала, который передается внутри оптоволоконного кабеля. Этот способ общения имеет характеристики, которые важно учитывать, и делает его хорошим способом общения.

• Полоса пропускания. Единичная дисперсия лазерного излучения означает, что может передаваться хорошее количество сигнала (информация передается в битах) в секунду, что приводит к большой полосе пропускания на большие расстояния.
• Меньший диаметр. Диаметр волоконно-оптического кабеля составляет около 300 микрометров.
• Легкий вес. Оптоволоконный кабель имеет меньший вес по сравнению с медным кабелем.
• Передача сигнала на большие расстояния Поскольку лазерное излучение не рассеивается, его можно легко передавать на большие расстояния.
• Низкое затухание. Волокно изготовлено из стекла, и через него проходит лазер, передаваемый сигнал имеет потери всего 0,2 дБ/км.
• Безопасность передачи. Оптическое шифрование и отсутствие электромагнитного сигнала обеспечивают безопасность данных по оптоволокну.

Применение оптического волокна

Оптоволоконная связь в основном применяется в телекоммуникационной отрасли, которая использует оптоволокно для:

• Передача телефонных сигналов
• Интернет-общение
• Кабельное телевидение. Передача сигнала

Кроме того, в настоящее время оптическое волокно используется повсеместно в домах, на предприятиях, в офисах для междугородних и малых коммуникаций.

Влияние оптического волокна на Интернет вещей (IoT)

Связь по оптоволоконному кабелю окажет большое влияние на Интернет вещей, и перечисленные ниже вещи объяснят вам, почему для Интернета вещей может потребоваться оптоволоконная связь.

• Быстрая передача данных. Будущее будет за IoT, и все наши устройства и другие гаджеты будут подключены к Интернету, что требует хорошей связи и высокой скорости Единственным средством передачи, поддерживающим такое требование, является оптическое волокно. Будущее нуждается в IoT, а IoT – в оптоволокне для лучшей связи, которая может помочь достичь скорости беспроводной передачи данных до 100 Гбит/с, обеспечивая обмен данными и передачу данных большого размера за считанные секунды.
• Безопасность данных. Безопасность в IoT является основной проблемой, когда мы думаем о большом количестве данных, которые будут переданы между миллиардами устройств, соединенных вместе. Взлом данных с коммуникационных носителей возможен, если это не оптическое волокно. Оптические волокна очень трудно взломать, и взломать их без обнаружения практически невозможно. Опять же, оптическое волокно может помочь защитить данные и передавать их на очень высокой скорости.
• Отсутствие потери данных из-за помех. Волоконно-оптические кабели могут быть установлены в любом месте (даже под водой или в зонах с высокой температурой) и не имеют электромагнитных помех, что не приводит к потере данных из-за влияния таких помех.

Источник