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

Характеристики и протоколы передачи по оптическому волокну

Большинство технических специалистов, работающих с оптоволокном, знают об отличии многомодовых волокон от одномодовых. Но не все информированы о характеристиках оптических волокон и о протоколах передачи информации по ним. В статье приведены описания конкретных характеристик оптоволокон и протоколов передачи Ethernet, вызывающих, иногда, противоречивые толкования.

Характеристики оптических волокон

Пожалуй, не найдется специалиста-кабельщика, работающего с оптическим волокном, который не знал бы отличие многомодовых волокон от одномодовых. Мы не собираемся повторять прописные истины в данной статье. Остановимся на конкретных характеристиках оптоволокон, вызывающих, подчас, противоречивое толкование.

Оптические волокна допускают распространение сигналов передачи данных вдоль них при условии, что световой сигнал вводится в волокно под углом, обеспечивающим полное внутреннее отражение на границе раздела двух сред из двух типов стекла, имеющего различные показатели преломления. В центре сердцевины находится особо чистое стекло с показателем преломления 1.5. Диаметр сердцевины находится в пределах от 8 до 62,5 мкм. Окружающее ядро стекло, называемое оптической оболочкой, немного менее свободное от примесей, имеет показатель преломления 1.45. Общий диаметр сердцевины и оболочки находится в пределах от 125 до 440 мкм. Поверх оптической оболочки наносят полимерные покрытия, укрепляющие волокно, защитные нити и внешнюю оболочку.

При вводе оптического излучения в волокно, луч света, падающий на его торец под углом больше критического, будет распространяться вдоль границы раздела двух сред в волокне. Каждый раз, когда излучение попадает на границу между ядром и оболочкой, оно отражается обратно в волокно. Угол ввода оптического излучения в волокно определяется максимально допустимым углом ввода, называемым числовой апертурой или апертурой волокна. Если вращать этот угол вдоль оси сердцевины, формируется конус. Любой луч оптического излучения, падающий на торец волокна в пределах этого конуса, будет передан дальше по волокну.

Находясь внутри сердцевины, оптическое излучение многократно отражаетсяот границы раздела двух прозрачных сред, имеющих различные показатели преломления. Если физические размеры сердцевины оптического волокна существенные, отдельные лучи света будут введены в волокно и, в последующем, претерпевают отражение под разными углами. Поскольку ввод лучей оптической энергии в волокно был осуществлен под разными углами, то и расстояния, которые они проходят, будут также различными. В результате, они достигают приемного участка волокна в разное время. Импульсный оптический сигнал, прошедший по волокну будет расширен, по сравнению с тем, который был отправлен, следовательно, ухудшается и качество переданного по оптоволокну сигнала. Это явление получило название модовой дисперсии (DMD).

Другой эффект, который тоже вызывает ухудшение передаваемого сигнала, получил название хроматической дисперсии. Хроматическая дисперсия обусловлена тем, что световые лучи разных длин волн распространяютсявдоль оптического волокна с различной скоростью. При передаче серии световых импульсов через оптоволокно, модовая и хроматическая дисперсии, в конечном итоге, могут вызвать слияние серии в один длинный импульс, возникновению интерференции бит сигнала и потере передаваемых данных.

Еще одной типичной характеристикой оптического волокна является затухание. Стекло, используемой для изготовления сердцевины оптического волокна (ОВ), является очень чистым, но, все же, не идеально. В результате, свет может поглощаться материалом стекла в оптоволокне. Другими потерями оптического сигнала в волокне могут быть рассеяние и потери, а также затухание от плохих оптических соединений. Потери при соединении оптоволокон могут быть вызваны смещением сердцевин волокна или его торцевых поверхностей, которые не были отполированы и очищеныдолжным образом.

Сетевые протоколы для оптической передачи Ethernet

Перечислим основные протоколы передачи Ethernet по многомодовым и одномодовым оптическим волокнам.

10BASE-FL — 10 Мбит/с передача Ethernet по многомодовому оптоволокну.

100BASE-SX — 100 Мбит/с передача Ethernet по многомодовому ОВ на длине волны850-nm. Максимальное расстояние передачи до 300 м. Большие расстояния передачи возможны при использовании одномодового ОВ. Обратно совместимый с 10BASE-FL.

100BASE-FX — 100 Мбит/с передача Ethernet (Fast Ethernet) по многомодовому ОВ на длине волны 1300-nm. Максимальное расстояние передачи составляет до 400 м для полудуплексных соединений (с обнаружением коллизий) или до 2 км для полнодуплексной связи. Большие расстояния возможны с применением одномодового ОВ. Не обратно совместим с протоколом 10BASE-FL.

100BASE-BX — 100 Мбит/с передача Ethernet по одномодовому ОВ. В отличие от протокола 100BASE-FX, в котором используются два оптоволокна, 100BASE-BX работает по одному волокну с технологией WDM (Wavelength-Division Multiplexing), которая позволяет разделить длины волн сигнала на приеме и передаче. Для передачи и приема используются две длины волны из возможных: 1310 и 1550 nm или 1310 и 1490 nm. Расстояние передачи до 10, 20, или 40 км.

1000BASE-SX — 1 Гбит/с передача Ethernet (Gigabit Ethernet) по многомодовому ОВ на длине волны 850-nm и на максимальное расстояние до 550 м, в зависимости от используемого класса ОВ.

1000BASE-LX — 1 Гбит/с передача Ethernet (GigabitEthernet) по многомодовому ОВ на длине волны 1300-nm на максимальное расстояние до 550 м. Протокол оптимизирован для передачи на большие расстояния (до 10 км) по одномодовому ОВ.

1000BASE-LH— — 1 Гбит/с передача Ethernet по одномодовому ОВ на максимальное расстояние до 100 км.

10GBASE-SR — 10 Гбит/с передача Ethernet (10 GigabitEthernet) по многомодовому ОВ на длине волны over 850-nm. Расстояние передачи может быть 26 м или 82 м, в зависимости от типа применяемого ОВ с сердцевиной 50- или 62.5 мкм. Поддержка передачи на расстояние 300 м по многомодовому ОВ класса ОМ3 и выше, с коэффициентом широкополосности не менее 2000 MГц/км.

10GBASE-LX4 — 10 Гбит/с передача Ethernetпо многомодовому ОВ на длине волны 1300-nm. Использует технологию WDM для передачи на расстояния до 300 м по многомодовым волокнам. Поддержка передачи по одномодовому ОВ на расстояния до 10 км.

В заключение статьи, приведем некоторые данные по используемым типам многомодовых оптических волокон и стандартам передачи. Данные сведены в табл.1 (выдержки из Стандартов).

Международный Стандарт: ISO/IEC 11801 “GenericCablingforCustomerPremises”

МеждународныйСтандарт: IEC 60793-2-10 “Product Specifications — Sectional Specification for Category A1 Multimode Fibers”

Стандарт ANSI/TIA/EIA-492-AAAx “Detail Specification for Class 1a Graded-Index Multimode Optical Fibers”

(1) класс OM1 многомодовое ОВ с сердцевиной 62.5-мкм или 50-мкм.

(2) класс OM2 многомодовое ОВ с сердцевиной 50-мкм или 62.5-мкм.

(3) класс OM4 ратифицирован IEEE в июне 2010 и является Стандартом 802.ba для 40G/100G Ethernet. Работает на расстояниях до 1000 м по 1 Гбит/с Ethernet, 550 м по 10 Гбит/с Ethernet и 150 м по 40 ГБит/с и 100 ГБит/с сетевым протоколам Ethernet.

(4) Международный Стандарт ISO/IEC 11801 определяет максимальное значение затухания ОВ. Стандарты IEC и TIA описывают(минимальное) или среднее затухание «голого» ОВ.

Источник: Евгений Запорощенко, к.т.н., доцент, главный технический специалист ООО «Сонет Инвест»

Источник