Волоконно оптический кабель лекция

Оптоволоконные кабели

Оптоволоконные (волоконно-оптические кабели) используются для передачи информации с помощью светового луча. Передача информации по волоконно-оптическому кабелю имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю [ 24 ] , [ 25 ] .

Широкая полоса пропускания — по сравнению с электромагнитной средой. Одно волокно, работающее на длине волны1300 или 1550 нм, потенциально имеет ширину полосы 20 ТГЦ ). Это дает возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации со скоростью несколько терабит в секунду. Это достаточно для размещения приблизительно 250 миллионов каналов со скоростью передачи 64 Кбит/с.

Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,35 дБ/км на длине волны 1300 и 1500 нм. При допустимом затухании 20 дБ максимальное расстояние между усилителями или повторителями составляет около 100 км и более.

Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи с использованием различной модуляции сигналов без защиты и контролировать правильность принятой информации только в оконечных терминалах. Это упрощает алгоритмы обработки и еще больше увеличивает реальную скорость передачи .

Защищенность от электромагнитных помех. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного затухания.

Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см, может быть заменен одним волокном с диаметром 0,1 см. Если волокно «одеть» во множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого кабеля будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.

Высокая безопасность от несанкционированного доступа. Поскольку оптоволоконный кабель практически не излучает в радиодиапазоне, передаваемую информацию трудно подслушать, не нарушая приема/передачи. Более того, несанкционированные отводы (см. в разделе «Оптические соединители») в оптической системе реализуются более сложно, и требуют подключения с помощью сложного оборудования. Несанкционированные подключения в оптической сети проще обнаруживаются. Системы, отслеживающие качество распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации), имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Поэтому оптические системы со слежением за качеством сигнала особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.

Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Оптоволоконные кабели не требуют заземления оболочки, защищающего от «блуждающих токов» и высоковольтных наводок по «земле», при которых может возникнуть большая разность потенциалов, что для электромагнитных кабелей может привести к повреждению сетевого оборудования.

Пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

Уменьшение требований к линейно-кабельным сооружениям. Волоконно-оптические кабели освобождают переполненные кабельные трубопроводы. Как уже отмечалось выше, волоконно-оптические кабели имеют меньший объем в расчете на одну и ту же пропускную способность, в связи с чем переполнение кабельных трубопроводов становится маловероятным, даже при интенсивном росте широкополосных услуг.

Экономичность волоконно-оптического кабеля. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре определяется как 2:5. При этом волоконно-оптический кабель позволяет передавать сигналы на большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании волоконно-оптического кабеля. Современные системы передачи позволяют достигнуть дальности около 400 км [ 24 ] только с использованием оптических усилителей на промежуточных узлах при скорости передачи выше 10 Гбит/с.

Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон этот процесс значительно замедлен, и срок службы волоконно-оптического кабеля составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений стандартов приемо-передающих систем. Сроки старения оптических кабелей гораздо больше, чем сроки деградации электромагнитных кабельных сооружений.

Принципы работы оптоволоконных кабелей

Электромагнитный спектр

Часть электромагнитного спектра, которая предназначена для волоконной оптической связи — в пределах инфракрасной составляющей света, спектрально расположена между СВЧ диапазоном и видимой частью спектра (см. рис. 3.1). Инфракрасный означает, что он лежит ниже красного света» от латинского слова «инфра». Инфракрасная часть спектра начинается «ниже» красной части спектра, приблизительно в 700 нм длины волны. Инфракрасные волны располагаются приблизительно от 700 нм до 1 миллиметр (мм). Диапазон инфракрасного спектра наиболее часто используется для оптической волоконной связи — от 850 нм до приблизительно 1625 нм.

Таблица 3.1. Обозначения диапазонов, используемых при оптической связи

Диапазон в нанометрах	Обозначение диапазона	Название диапазона
1260 — 1360	O – band	Исходный(original)
1369 — 1460	E – band	Расширенный
1460 – 1530	S – band	Коротковолновой
1530 – 1565	C- band	Обычный
1565 – 1625	L- band	Длинноволновый
1625 — 1675	U — band	Ультра Длинноволновый

Использование электромагнитного спектра для оптической волоконной связи тесно связано с показателями затухания стеклянного волокна в областях инфракрасного спектра. Эти области с низким оптическим затуханием, названные окнами прозрачности 1 область частот, для данной марки оптического кабеля, в которой обеспечиваются лучшие условия для распространения радиоволн , зависят от материалов, из которых изготавливается оптическое волокно (добавками, улучшающими свойства волокна). Самые ранние системы были разработаны на основе волокна с использованием кварца. Первое окно в оптическом волокне предназначалось для работы приблизительно в области 850 нм. Предложенное вскоре второе окно в области 1310 нм (S-band) имело более низкое затухание по сравнению с первым (благодаря добавке диоксида германия). Далее третье окно в области 1550 нм (C -band), с низкими оптическими потерями. Сегодня, является также доступным четвертое окно в области), около 1625 нм (L –band). Эти четыре окна показаны на рис. 3.2

Источник

Конспект по дисциплине Телекоммуникации на тему «Волоконно оптические кабели»

Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.

Волоконно оптические кабели.

Волоконно-оптические кабели состоят из центрального проводника света (сердцевины) — стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла — оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника различают:

Понятие «мода» описывает режим распространения световых лучей во внутреннем сердечнике кабеля. В одномодовом кабеле (Single Mode Fiber, SMF) используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длиной волны света — от 5 до 10 мкм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. Полоса пропускания одномодового кабеля очень широкая — до сотен гигагерц на километр. Изготовление тонких качественных волокон для одномодового кабеля представляет сложный технологический процесс, что делает одномодовый кабель достаточно дорогим.

Кроме того, в волокно такого маленького диаметра достаточно сложно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть его энергии.

В многомодовых кабелях (Мulti Mode Fiber, MMF) используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В стандартах определены два наиболее употребительных многомодовых кабеля: 62,5/125 мкм и 30/125 мкм, где 62,5 мкм или 50 мкм — это диаметр центрального проводника, а 125 мкм — диаметр внешнего проводника.

Многомодовые кабели имеют более узкую полосу пропускания — от 50 до 500 МГц/км. Сужение полосы происходит из-за потерь световой энергии при отражениях.

В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются:

Для передачи информации применяется свет с длиной волны 1550 нм (1,55 мкм), 1300 нм (1,3 мкм) и 850 нм (0,85 мкм). Светодиоды могут излучать свет с длиной волны 850 нм и 1300 нм. Излучатели с длиной волны 850 нм существенно дешевле, чем излучатели с длиной волны 1300 нм, но полоса пропускания кабеля для волн 850 нм уже, например 200 МГц/км вместо 500 МГц/км.

Лазерные излучатели работают на длинах волн 1300 и 1550 нм. Быстродействие современных лазеров позволяет модулировать световой поток с частотами 10 ГГц и выше. Лазерные излучатели создают когерентный поток света, за счет чего потери в оптических волокнах становятся меньше, чем при использовании некогерентного потока светодиодов.

Волоконно-оптические кабели присоединяют к оборудованию разъемами MIC, ST и SC.

Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками всех типов: электромагнитными, механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью). Однако у них есть один серьезный недостаток — сложность соединения волокон с разъемами и между собой при необходимости наращивания длины кабеля.

Сама стоимость волоконно-оптических кабелей ненамного превышает стоимость кабелей на витой паре, однако проведение монтажных работ с оптоволокном обходится намного дороже из-за трудоемкости операций и высокой стоимости применяемого монтажного оборудования.

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.

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 высоконадежные активные 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 связи должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.

Источник

Оптоволоконные кабели

Оптоволоконные (волоконно­оптические кабели) используются для передачи информации с помощью светового луча. Передача информации по волоконно­оптическому кабелю имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю [7.19, 7.20].

Широкая полоса пропускания — по сравнению с электромагнитной средой. Одно волокно, работающее на длине волны 1300 или 1550 нм, потенциально имеет ширину полосы 20 ТГЦ ( ). Это дает возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации со скоростью несколько терабит в секунду. Это достаточно для размещения приблизительно 250 миллионов каналов со скоростью передачи 64 Кбит/с.

Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,35 дБ/км на длине волны 1300 и 1500 нм. При допустимом затухании 20 дБ максимальное расстояние между усилителями или повторителями составляет около 100 км и более.

Низкий уровень шумов в волоконно­оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи с использованием различной модуляции сигналов без защиты и контролировать правильность принятой информации только в оконечных терминалах. Это упрощает алгоритмы обработки и еще больше увеличивает реальную скорость передачи .

Защищенность от электромагнитных помех. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного затухания.

Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см, может быть заменен одним волокном с диаметром 0,1 см. Если волокно «одеть» во множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого кабеля будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.

Высокая безопасность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема/передачи. Более того, несанкционированные отводы (см. в разделе «Оптические соединители») в оптической системе реализуются более сложно, и требуют подключения с помощью сложного оборудования. Несанкционированные подключения в оптической сети проще обнаруживаются. Системы, отслеживающие качество распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации), имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Поэтому оптические системы со слежением за качеством сигнала особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.

Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Оптоволоконные кабели не требуют заземления оболочки, защищающего от «блуждающих токов» и высоковольтных наводок по «земле», при которых может возникнуть большая разность потенциалов, что для электромагнитных кабелей может привести к повреждению сетевого оборудования.

Пожаробезопасность. Из­за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

Уменьшение требований к линейно­кабельным сооружениям. Волоконно-оптические кабели освобождают переполненные кабельные трубопроводы. Как уже отмечалось выше, волоконно­оптические кабели имеют меньший объем в расчете на одну и ту же пропускную способность, в связи с чем переполнение кабельных трубопроводов становится маловероятным, даже при интенсивном росте широкополосных услуг.

Экономичность волоконно­оптического кабеля. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре определяется как 2:5. При этом ВОК позволяет передавать сигналы на большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК. Современные системы передачи позволяют достигнуть дальности около 400 км [7.20] только с использованием оптических усилителей на промежуточных узлах при скорости передачи выше 10 Гбит/с.

Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон этот процесс значительно замедлен, и срок службы волоконно­оптического кабеля составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений стандартов приемо-передающих систем. Сроки старения оптических кабелей гораздо больше, чем сроки деградации электромагнитных кабельных сооружений.

Принципы работы оптоволоконных кабелей

Оптоволоконный кабель содержит [7.19, 7.20] три основных элемента (рис. 7.1):

Сердцевина, волоконный светопроводящий элемент, окружен оболочкой, которая имеет меньший показатель преломления света. Это приводит к тому, что большинство световых лучей в сердцевине отражаются внутрь сердцевины (рис. 7.2). Попадет ли луч снова внутрь сердцевины, зависит от угла, под которым он пересекает границу «сердцевина-оболочка» ( числовая апертура 1 Числовая апертура — максимальный угол, при котором для вводимого в волокно светового излучения обеспечивается полное внутреннее отражение. ). Если луч входит под слишком острым углом к поверхности оболочки, то он поглощается. Поглощение может происходить при изменении в оболочке, например, при сгибах оптокабеля или при неправильном сращивании волокон.

При построении сетей используются многожильные кабели. На рис. 7.3 показан пример кабеля с 8 волокнами. В центре расположен стальной трос для укрепления кабеля, а внешняя поверхность покрыта стальной оплеткой для защиты от грызунов и внешних силовых воздействий.

Многомодовые волокна

На рис. 7.2 показан принцип распространения лучей. В том числе видно, что при отражении луча под определенным углом возникает другой луч — «вторичная мода». Такие лучи могут быть использованы для организации второго пути переноса информации. Оптические волокна, в которых допускается прохождение лучей к приемнику многочисленными путями, называются многомодовыми.

По сравнению с одномодовыми кабелями (диаметр сердцевины 8,5 или 9,5 мкм) многомодовые кабели имеют больший диаметр (50/62/5 мкм при диаметре оболочки 125 мкм). Больший диаметр сердцевины упрощает их изготовление.

Источник