Доклад по волоконной оптике

|передач| |-2” | |3” | |” |м”, |

|и | | | | | | |“Сопка-5|

| | | | | | | |” |

|Число | |120 |120, 480|480 |480 |1920 |1920; |

|цифровы| | | | | | |7680 |

|х | | | | | | | |

|каналов| | | | | | | |

|?, мкм | |0,85 |1,3 |1,3 |1,3 |1,3 |1,55 |

|?, дБ/ | |3 |0,7…1,0 |0,7… |0,7… |0,7 |0,3 |

|км | | | |1,0 |1,5 | | |

|?F, МГц| |250… |1000 |500…800| |5000 |5000 |

|км | |500 | | | | | |

|Длина | |12 |30 |30 |30 |40 |100 |

|регенер| | | | | | | |

|ационно| | | | | | | |

|го | | | | | | | |

|участка| | | | | | | |

|, км | | | | | | | |

|Число | |4 и 8 |4, 8, 16|4 и 8 |4 и 8 |4, 8, 16|4, 8, 16|

|волокон| | | | | | | |

|Тип | |МОВ |ООВ и |МОВ |МОВ |ООВ |ООВ |

|волокна| | |МОВ | | | | |

|Подземн|d , мм |11…15 |12…18 |17 |18…20 |12…18 |14…18 |

|ые | |100…300|110…320 |370 |406…445|130…400 |140…404 |

| |Q , | |300…3500|3000 | |1300…400|1000…350|

| |кг/км |1200 | | |— |0 |0 |

| |P , Н | | | | | | |

|Подводн|d , мм |— |24 |— |20 |— |25 |

|ые | |— |1200 |— |1040 |— |1300 |

| |Q , |— |25000 |— |25000 |— |25000 |

| |кг/км | | | | | | |

| |P , Н | | | | | | |

|Строите| |1…2 | |2 | |2 | |

|льная | | | | | | | |

|длина, | | | | | | | |

|км | | | | | | | |

|Срок | |25 | |25 | |25 | |

|службы,| | | | | | | |

|лет | | | | | | | |

|Электро| |Местное| |ДП | |Автономн| |

|питание| | | | | |ое, ДП | |

Примечание. —коэффициет широкополосноети; Q — масса; Р—разрывная прочность;

ООВ—одномодовое, МОВ— многомодовое оптическое волокно.

Теория направляющих систем

Развитие волоконно-оптической связи

Волоконная оптика в настоящее время получила широкое развитие и находит

применение в различных областях науки и производства (связь,

радиоэлектроника, энергетика, термоядерный синтез, медицина, космос,

машиностроение, летающие объекты, вычислительные комплексы и т. д.). Темпы

роста волоконной оптики и оптоэлектроники на мировом рынке опережают все

другие отрасли техники и составляют 40 % в год. В ряде стран (Англия,

Япония, Франция, Италия и др.) уже сейчас при строительстве сооружений

связи используются в основном оптические кабели (ОК). Ожидается, что к 2000

г. они займут доминирующее место на сетях междугородной и городской связи.

О масштабах развития волоконно-оптических систем передачи (ВОСП)

свидетельствуют объемы производства оптических волокон в США. За последнее

время ими изготовлено около 10 млн. км волокна. Такое количество позволило

бы сделать 250 витков вокруг всего земного шара.

Технико-экономический анализ показал, что в перспективе при массовом

производстве оптических кабелей они будут конкурентоспособными с

электрическими при потребностях обеспечения передачи сигналов в диапазонах

частот 107...109 Гц.

Важнейшим фактором в развитии оптических систем и кабелей связи явилось

появление оптического квантового генератора лазера.

Советскими учеными, академиками Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым,

выполнены фундаментальные исследования в области оптоэлектроники и

квантовой техники. Первые работы по освоению оптического диапазона волн для

целей связи относятся к началу 60-х годов. В качестве тракта передачи

использовались приземные слои атмосферы и световоды с периодической

коррекцией расходимости и направления луча с помощью системы линз и зеркал.

Открытые (атмосферные) линии оказались подверженными влиянию

метеорологических условий и не обеспечивали необходимой надежности связи.

Линзовые световоды с дискретной коррекцией оказались весьма дорогостоящими,

требовали тщательной юстировки линз и сложных устройств автоматического

управления лучом. Они не нашли практического применения на сетях связи.

Создание высоконадежных оптических кабельных систем связи стало

возможным в результате разработки в начале 70-х годов оптических волокон с

малыми потерями. Такие волокна в значительной мере стимулировали разработку

специализированного оборудования и элементов линейного тракта ВОСП.

В России активно ведется строительство волоконно-оптических линий связи

(ВОЛС) различного назначения: городских, зоновых, магистральных. В 86

городах (Москва, Нижний Новгород, С.-Петербург, Новосибирск, Тбилиси, Киев,

Баку, Ташкент, Минск, Кишинев и др.) действуют оптические соединительные

линии между АТС с цифровыми системами передачи ИКМ-120. Построен ряд

зоновых линий внутриобластного назначения, например: С.-Петербург—Сосновый

бор, Уфа—Стерлитамак, Тула—Щекино, Воронеж—Павловск, Рязань—Мосолово,

Майкоп—Краснодар, Клин—Солнечногорск, Ростов—Азов, Курская область,

Минск—Смолевичи, Рига—Юрмала и др. Построена одномодовая магистраль С.-

Петербург—Минск протяженностью 1000 км на большое число каналов.

В России с участием инофирм осуществляется строительство транссибирской

линии (ТСЛ), которая свяжет Японию, Россию, Европу. Общее число каналов

составит 30 000. Половина из них предназначена для России; в крупных

городах, расположенных по трассе, часть этих каналов будет выделяться,

вторая половина каналов пройдет транзитом на Европу.

Транссибирская линия после включения в мировую межнациональную сеть

связи замкнет глобальное волоконно-оптическое кольцо, которое охватит

четыре континента (Европа—Америка—Азия—Австралия) и пройдет через три

океана (Атлантический, Тихий, Индийский).

Достоинства оптических кабелей и область их применения

Наряду с экономией цветных металлов, и в первую очередь меди,

оптические кабели обладают следующими достоинствами:

широкополосность, возможность передачи большого потока информации

(несколько тысяч каналов);

малые потери и соответственно большие длины трансляционных участков

(30...70 и 100 км);

малые габаритные размеры и масса (в 10 раз меньше, чем электрических

кабелей);

высокая защищенность от внешних воздействий и переходных помех;

надежная техника безопасности (отсутствие искрения и короткого замыкания).

К недостаткам оптических кабелей можно отнести:

подверженность волоконных световодов радиации, за счет которой появляются

пятна затемнения и возрастает затухание;

водородная коррозия стекла, приводящая к микротрещинам световода и

ухудшению его свойств.

Области применения ОК с учетом их достоинств перечислены на (рис.18).

Рис. 18. Свойства и области использования ВОЛС

Для систем связи существенными являются показатели 1—5, для

автоматизированных систем управления и ЭВМ—показатели 1, 2, 3. Мобильные

подвижные системы требуют выполнения в первую очередь показателей 1, 2, 6.

Область возможных применений ВОЛС весьма широка — от линии городской и

сельской связи и бортовых комплексов (самолеты, ракеты, корабли) до систем

связи на большие расстояния с высокой информационной .емкостью. На основе

оптической волоконной связи могут быть созданы принципиально новые системы

передачи информации. На базе ВОЛС развивается единая интегральная сеть

многоцелевого назначения. Весьма перспективно применение оптических систем

в кабельном телевидении, которое обеспечивает высокое качество изображения

и существенно расширяет возможности информационного обслуживания абонентов.

Физические прцессы в волоконных световодах

В отличие от обычных кабелей, обладающих электрической проводимостью и

током проводимости , ОК имеют совершенно другой механизм — они обладают

токами смещения , на основе которых действует также радиопередача. Отличие

от радиопередачи состоит в том, что волна не распространяется в свободном

пространстве, а концентрируется в самом объеме световода и передается по

нему в заданном направлении (рис.19).

Рис.19. Процесс передачи:

а—радиосвязь; б—волоконно-оптическая связь

Передача волны по световоду осуществляется за счет отражений ее от

границы сердцевины и оболочки, имеющих разные показатели преломления . В

обычных кабелях носителем передаваемой информации является электрический

ток, а в ОК—лазерный луч.

В обычных широко используемых в настоящее время симметричных и

коаксиальных кабелях передача организуется по двухпроводной схеме с

применением прямого и обратного проводников цепи (рис.20).

Рис. 20. Передача энергии по двухпроводным (а) и волноводным (б)

направляющим средам

В световодах, волноводах и других направляющих средах (НС) нет двух

проводников, и передача происходит волноводным методом по закону

многократного отражения волны от границ раздела сред. Такой отражательной

границей может быть металл—диэлектрик, диэлектрик—диэлектрик с различными

диэлектрическими (оптическими) свойствами и др.

Граница раздела двухпроводных (двухсвязных) и волноводных (односвязных)

НС характеризуется в первую очередь соотношением между длиной волны и

поперечными размерами направляющей среды .

При должно быть два провода: прямой и обратный, и передача происходит

по обычной двухпроводной схеме; в противном случае не требуется

двухпроводная система, и передача осуществляется за счет многократного

отражения волны от границ раздела сред с различными характеристиками.

Поэтому передача по волноводным системам (световодам, волноводам и другим

НС) возможна лишь в диапазоне очень высоких частот, когда длина волны

меньше, чем поперечные размеры—диаметр НС.

Оптические микронные волны подразделяются на три диапазона:

инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый (таблица №3). В настоящее время

используются в основном волны длиной 0,7...1,6 мкм и ведутся работы по

освоению ближнего инфракрасного диапазона: 2; 4; 6 мкм.

Таблица №3

|Диапазон |ИКЛ |ВЛ |УФЛ |

|f , Гц |1012... |10—14... |1015... |

| |1014 |1015 |1017 |

|? , мкм |0,75...100 |0,4...0,75 |0,01...0,4|

Таким образом, для передачи электромагнитной энергии применяются

электрические оптические кабели, а также радиосвязь (таблица №4).

Таблица №4 (Передача по электрическим (ЭК), оптическим (ОК) кабелям и

радиосвязным каналам (РС))

|Среда |НС |НС |ОС |

|переда| | | |

|чи | | | |

|Ток |IФ |Iсм |Iсм |

В разных системах используются различные среды (направляющая или

открытая) и токи ( и ). Особенности этих НС связаны с частотными

ограничениями при передаче энергии.

Принципиально различен частотный диапазон передачи по волноводным и

двухпроводным системам. Волноводные системы имеют частоту отсечки —

критическую частоту , ведут себя как фильтры ВЧ, и по ним возможна лишь

передача волн длиной менее чем . Двухпроводные системы свободны от этих

ограничений и способны передавать весь диапазон частот — от нуля и выше.

Волоконные световоды

Основным элементом ОК является волоконный световод, выполненный в виде

тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы. Волоконный световод имеет

двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными

оптическими характеристиками (показателями преломления ). Сердцевина служит

для передачи электромагнитной энергии. Назначение оболочки: создание лучших

условий отражения на границе “сердцевина—оболочка” и защита от излучения

энергии в окружающее пространство. Снаружи располагается защитное покрытие

для предохранения волокна от механических воздействий и нанесения

расцветки.Сердцевина и оболочка изготовляются из кварца , покрытие — из

эпоксиакрилата, фторопласта, нейлона, лака и других полимеров.

Оптические волокна классифицируются на одномодовые и многомодовые.

Последние подразделяются на ступенчатые и градиентные. Одномодовые волокна

имеют тонкую сердцевину (6…8 мкм), и по ним передается одна волна; по

многомодовым (сердцевина 50 мкм) распространяется большое число волн.

Наилучшими параметрами по пропускной способности и дальности обладают

одномодовые волокна. У ступенчатых световодов показатель преломления в

сердечнике постоянен, имеется резкий переход от сердцевины к оболочки и

лучи зигзагообразно отражаются от границы “сердечник—оболочка”. Градиентные

световоды имеют непрерывное плавное изменение показателя преломления в

сердцевине по радиусу световода от центра к периферии, и лучи

распространяются по волнообразным траекториям. Показатель преломления

сердцевины меняется вдоль радиуса по закону показательной функции

,

где — максимальное значение показателя преломления на оси волокна, т. е.

при r=0; и— показатель степени, описывающей профиль изменения показателя

преломления:

Чаще всего применяются световоды с параболическим профилем. В этом

случае и=2 и соответственно:

Если принять , то получим известное значение п ступенчатого световода

Дисперсия и пропускная способность

Параметр (пропускная способность) является наряду с затуханием к

важнейшим параметром ВОСП. Он определяет полосу частот, пропускаемую

световодом, и соответственно объем информации, который можно передать по

ОК..

В предельном идеализированном варианте по ВС возможна организация

огромного числа каналов на большие расстояния, но фактически имеются

значительные ограничения. Это обусловлено тем, что сигнал на вход приемного

устройства приходит размытым, искаженным, причем чем длиннее линия, тем

больше искажается передаваемый сигнал.

Данное явление носит название дисперсии и обусловлено различием времени

распространения различных мод в световоде и наличием частотной зависимости

показателя преломления.

Дисперсия—это рассеяние во времени спектральных или модовых

составляющих оптического сигнала. Дисперсия приводит к увеличению

длительности импульса при прохождении по ОК. Уширение импульса т

определяется как квадратичная разность длительности импульсов на выходе и

входе формуле

причем значения и берутся на уровне половины амплитуды импульсов.

Связь между величиной уширения импульсов и полосой частот, передаваемых

по ВС, приближенно выражается соотношением

Так, если =20 нс/км, то

Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон использования

световодов, но и существенно снижает дальность передачи по ОК, так как чем

длиннее линия, тем больше проявляется дисперсия и больше уширение импульса.

Пропускная способность ОК существенно зависит от типа ВС (одномодовые,

многомодовые, градиентные), а также от типа излучателя (лазер, светодиод).

Причинами возникновения дисперсии являются :

некогерентность источников излучения и появление спектра;

существование большого количества мод (N).

В первом случае дисперсия называется хроматической (частотной). Она

делится на материальную и волноводную (внутримодовую дисперсию).

Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется

зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления

от длины волны

Во втором случае дисперсия называется кодовой и обусловлена наличием

большого количества мод, время распространения которых различно

В геометрической интерпретации соответствующие модам лучи идут под

разными углами, проходят различный путь в сердцевине волокна и,

следовательно, поступают на вход приемника с различной задержкой.

Результирующее значение уширения импульсов за счет модовой,

материальной и волноводной дисперсий

С учетом реального соотношения вкладов отдельных видов дисперсий имеем

для многомодовых волокон уширение импульсов

а для одномодовых волокон

Величина уширения импульса в многомодовых волокнах за счет модовой

дисперсии, которая характеризуется временем нарастания сигнала и

определяется как разность между самым большим и самым малым временем

прихода в сечение световода на расстоянии I от начала, может быть

рассчитана для ступенчатого и градиентного световода соответственно по

формулам

и,

где — показатель преломления сердцевины; — показатель преломления оболочки;

l — длина линии; c— скорость света;

— длина связи мод, при которой наступает установившийся режим (5...7 км для

ступенчатого и 10...15 км градиентного волокон);

Соответственно пропускная способность градиентного световода в 2/? раз

меньше, чем ступенчатого, при одинаковых значениях ?. Учитывая, что, как

правило, ? ? 1%, различие пропускной способности указанных световодов может

достигать двух порядков.

Уширения импульса ? в одномодовых волокнах могут быть определены по

формулам

где — относительная ширина спектра излучения; l —длина линии; с —

скорость света; ? — длина волны; n1 — показатель преломления.

Для расчета можно воспользоваться также упрощенными формулами

и

где — ширина спектральной линии источника излучения, равная 0,1...4 нм

для лазера и 15...80 нм для световода; l— длина линии; и M(?) и B(?) —

удельные материальная и волноводная дисперсии соответственно.

Удельные дисперсии выражаются в пикосекундах на километр (длины

световода) и нанометр (ширины спектра). Зависимости материальной и

волноводной дисперсий для кварцевого стекла приведены на (рис.21).

Рис. 21. Удельные значения дисперсий в одномодовых волокнах при различных

длинах волн:

1 — волноводная; 2 — материальная 3 — результирующая.

Как видно из рисунка, с увеличением длины волны ?мат уменьшается и

проходит через нуль, а ?вв несколько растет. Вблизи ? ? 1,35 мкм происходит

их взаимная компенсация и результирующая дисперсия приближается к нулевому

значению. Поэтому длина волны 1,3 мкм получает широкое применение в

одномодовых системах передачи. Однако по затуханию предпочтительнее волна

1,55 мкм, и для достижения минимума дисперсии в этом случае приходится

варьировать профилем показателя преломления и диаметром сердцевины. При

сложном профиле типа W и трехслойном световоде можно и на длине волны 1,55

мкм получить минимум дисперсионных искажений.

В таблице №5 приведены дисперсионные свойства различных типов ВС.

Таблица №5

|Вид |Величина | | |

|дисперсии |дисперсии | | |

| |световода | | |

| |многомодово| |одномодовог|

| |го | |о |

| |ступенчатог|градиентног| |

| |о |о | |

|Волноводная |Малое | |Взаимная |

| |значение | |компенсация|

|Материальная|2...5 нс/км|0,1...0,3 |Малые |

| | |нс/км |значения |

|Межмодовая |30...50 |2...4 нс/км|— |

| |нс/км | | |

|Полоса |Десятки |Сотни |Тысячи |

|частот |мегагерц |мегагерц |мегагерц |

Сравнивая дисперсионные характеристики различных световодов, можно

отметить, что лучшими обладают одномодовые световоды. Хорошие

характеристики также у градиентных световодов с плавным изменением

показателя преломления. Наиболее резко дисперсия проявляется у ступенчатых

многомодовых световодов.

Рассмотрим пропускную способность ОК. В электрических кабелях с медными

проводниками (симметричных и коаксиальных) полоса пропускания и дальность

связи в основном лимитируются затуханием и помехозащищенностью цепей.

Оптические кабели принципиально не подвержены электромагнитным воздействиям

и обладают высокой помехозащищенностью, поэтому параметр помехозащищенности

не является ограничивающим фактором. В ОК полоса пропускания и дальность

связи лимитируются затуханием и дисперсией.

Затухание ОК растет по закону ?f. В широкой полосе частот оно весьма

стабильное и лишь на очень высоких частотах возрастает за счет дисперсии.

Поэтому дисперсия и определяет ширину полосы пропускания частот. Из рисунка

видно, что полоса пропускания одномодовых световодов существенно больше,

чем ступенчатых и градиентных.

Рис. 22. Зависимость дисперсии (?) и пропускной способности (?F) ОК от

длины линии

На рис.22 показан характер зависимостей дисперсии (? ) и пропускной

способности (?F ) оптических кабелей от длины линии. Дисперсия приводит как

к ограничению пропускной способности ОК, так и к снижению дальности

передачи по ним (l). Полоса частот и дальность передачи l взаимосвязаны.

Соотношение между ними выражается формулами:

для коротких линий (l < lc), у которых уширение импульсов с длиной растет

линейно,

для длинных линий (l > lc), у которых действует закон ? l изменения

величины ширины импульсов,

где ?F — дисперсия на 1 км; ?Fx — искомое значение дисперсии; lx —

длина линии; lc — длина линии устанавливающего режима (5...7 км для

ступенчатого и 10...15 км для градиентного волокна).

Километрическое значение полосы пропускания определяется величиной

уширения импульсов:

Оптоэлектронные компоненты

Основой ВОСП являются оптоэлектронные компоненты, и в первую очередь

лазеры на передаче сигналов и фотодиоды на их приеме. Лазерные системы

работают в оптическом диапазоне волн. Если при передаче по кабелям

используются частоты порядка мегагерц, а по волноводам — гигагерц, то для

лазерных систем используется видимый инфракрасный спектр оптического

диапазона волн (1014...1015 Гц).

Лазер состоит из активной среды, устройства накачки и резонансной

системы (рис. 23). Активной средой может быть твердый, жидкий или

газообразный материал. Широкое применение получили полупроводники. В

качестве устройства накачки используется главным образом электрическая

энергия. Могут применяться также солнечная радиация, атомная энергия,

химическая реакция и другие источники. Роль резонанса выполняют зеркала или

другие полированные поверхности.

Рис. 23. Принципиальная схема лазера:

1 — активная среда; 2 — устройство накачки; 3 — резонансная система

По принципу действия и эффекту светового излучения лазер может быть

отнесен к люминесцентным материалам. Известны различные виды люминесценции

(свечения): тепловая (лампочка накаливания), холодная (фосфор и другие

светящиеся материалы), природная (светлячок, гнилое дерево), химическая

(активная реакция) и др. В полупроводниковых лазерах действует

электрическая люминесценция — свечение происходит за счет электрической

накачки.

Принцип действия квантовых приборов (лазеров) основан на использовании

излучения атомов вещества под воздействием внешнего электромагнитного поля.

Из квантовой механики известно, что движение электронов атома вокруг ядра

характеризует энергетическое состояние электронов, иначе называемое

энергетическим уровнем. При переходе электронов с одной орбиты на другую

под воздействием внешнего электромагнитного поля меняется энергетический

уровень и происходит излучение энергии.

В настоящее время применяются различные типы лазеров:

полупроводниковые, твердотельные, газовые и др. Полупроводниковый лазер

представляет собой полупроводниковый диод типа р-п, выполненный из

активного материала, способного излучать световые кванты—фотоны. В качестве

такого материала преимущественно используется арсенид галия с

соответствующими добавками (теллура, алюминия, кремния, цинка). В

зависимости от характера и количества присадок полупроводник имеет области

электронной п (за счет теллура) и дырочной р (за счет цинка) проводимостей.

Под действием приложенного напряжения в полупроводнике происходит

возбуждение носителей, в силу чего возникает излучение световой энергии и

появляется поток фотонов. Этот поток, многократно отражаясь от зеркал,

образующих резонансную систему, усиливается, что приводит к появлению

лазерного луча с остронаправленной диаграммой излучения.

Схематично полупроводниковый лазер показан на (рис. 24).

Рис. 24. Полупроводниковый лазер

Объем полупроводника примерно 1 мм3. К нему подведены металлические

электроды для подачи электрического напряжения. Роль отражающих зеркал

выполняют плоскопараллельные отполированные торцевые грани полупроводника.

Излучение происходит в слое р-п перехода толщиной 0,15...0,2 мкм.

Наряду с лазерами в качестве источника оптического излучения могут

применяться светодиоды. Светодиод является таким же люминесцентным

полупроводником типа р-п из арсенида галия, но не имеет резонансного

усиления. В отличие от лазера, обладающего остронаправленным когерентным

лучом, в светодиоде излучение происходит спонтанно (самопроизвольно) и луч

имеет меньшую мощность и широкую направленность.

Сравнительные характеристики лазеров и светодиодов приведены в таблице

№6 и на (рис.25).

Таблица №6

|Излучат|Мощность,|Диаграмма|Ширина |Срок |

|ель |мВт |, град |спектра, |службы, |

| | | |мм |ч |

|Лазер |10... 40 |4... 20 |1...3 |104... |

|Светоди|5...20 |60... 80 |30... 50 |105 |

|од | | | |105…106 |

Сравнивая обычный свет, создаваемый, например, лампочкой накаливания, с

лазерным лучом, можно отметить, что в обоих случаях действует поток

фотонов. Но в отличие от обычного света, основанного на тепловой природе

возникновения и излучающего очень широкий непрерывный спектр частот,

лазерный луч имеет электромагнитную основу и представляет собой

монохроматический (одноволновый) луч.

Рис.25. Ширина спектра лазера (1), светодиода (2)

Лазерный луч обладает рядом замечательных свойств. Он распространяется

на большие расстояния и имеет строго прямолинейное направление. Луч

движется очень узким пучком с малой степенью расходимости (он достигает

луны с фокусировкой в сотни метров). Лазерный луч обладает большой теплотой

и может пробивать отверстие в любом материале. Световая интенсивность луча

больше, чем интенсивность самых сильных источников света.

Рис. 26. Полупроводниковый фотодиод

В качестве приемного устройства, преобразующего свет в электричество,

применяется фотодиод. Здесь используется эффект Столетова, состоящий в том,

что при воздействии света на активный материал, например полупроводник,

изменяются его электрические свойства и возникает электрический сигнал

(рис.26).

Таким образом в лазерах электричество преобразуется в свет, а в

фотодиодах происходит обратный процесс: свет преобразуется в электричество.

Системы передачи

В оптических системах передачи применяются принципиально те же методы

образования многоканальной связи, что и в обычных системах передачи по

электрическому кабелю, т. е. частотный и временной методы разделения

каналов.

Во всех случаях оптической передачи электрический канал, создаваемый

частотным или временным методом, модулирует оптическую несущую. В

модулированном виде световой сигнал передается по ОК. В основном

используется способ модуляции интенсивности оптической несущей, при которой

от амплитуды электрического сигнала зависит мощность излучения, подаваемая

в кабель.

В оптических системах передачи, как правило, применяется цифровая

(импульсная) передача. Это обусловлено тем, что аналоговая передача требует

высокой степени линейности промежуточных усилителей, которую трудно

обеспечить в оптических системах.

Таким образом, наиболее распространенной волоконно-оптической системой

связи является цифровая система с временным разделением каналов и импульсно-

кодовой модуляцией (ИКМ), использующая модуляцию интенсивности излучения

источника. Дуплексная связь осуществляется по двум волоконным световодам,

каждый из которых предназначен для передачи информации в одном направлении.

В оптических системах связи используются преимущественно цифровые

системы передачи—ИКМ на 30, 120, 480 и 1920 каналов.

Основные направления развития и применения волоконной оптики

Открылись широкие горизонты практического применения ОК и волоконно-

оптических систем передачи в таких отраслях народного хозяйства, как

радиоэлектроника, информатика, связь, вычислительная техника, космос,

медицина, голография, машиностроение, атомная энергетика и др. Волоконная

оптика развивается по шести направлениям:

11. многоканальные системы передачи информации;

12. кабельное телевидение;

13. локальные вычислительные сети;

14. датчики и системы сбора обработки и передачи информации;

15. связь и телемеханика на высоковольтных линиях;

16. оборудование и монтаж мобильных объектов.

Многоканальные ВОСП начинают широко использоваться на магистральных и

зоновых сетях связи страны, а также для устройства соединительных линий

между городскими АТС. Объясняется это большой информационной способностью

ОК и их высокой помехозащищенностью. Особенно эффективны и экономичны

подводные оптические магистрали.

Применение оптических систем в кабельном телевидении обеспечивает

высокое качество изображения и существенно расширяет возможности

информационного обслуживания индивидуальных абонентов. В этом случае

реализуется заказная система приема и предоставляется возможность абонентам

получать на экране своих телевизоров изображения газетных полос, журнальных

страниц и справочных данных из библиотеки и учебных центров.

На основе ОК создаются локальные вычислительные сети различной

топологии (кольцевые, звездные и др.). Такие сети позволяют объединять

вычислительные центры в единую информационную систему с большой пропускной

способностью, повышенным качеством и защищенностью от несанкционированного

допуска.

Волоконно-оптические датчики способны работать в агрессивных средах,

надежны, малогабаритны и не подвержены электромагнитным воздействиям. Они

позволяют оценивать на расстоянии различные физические величины

(температуру, давление, ток и др.). Датчики используются в нефтегазовой

промышленности, системах охранной и пожарной сигнализации, автомобильной

технике и др.

Весьма перспективно применение ОК на высоковольтных линиях

электропередачи (ЛЭП) для организации технологической связи и телемеханики.

Оптические волокна встраиваются в фазу или трос. Здесь реализуется высокая

защищенность каналов от электромагнитных воздействий ЛЭП и грозы.

Легкость, малогабаритность, невоспламеняемость ОК сделали их весьма

полезными для монтажа и оборудования летательных аппаратов, судов и других

мобильных устройств.

В последнее время появилось новое направление в развитии волоконно-

оптической техники — использование среднего инфракрасного диапазона волн

2...10 мкм. Ожидается, что потери в этом диапазоне не будут превышать 0,02

дБ/км. Это позволит осуществить связь на большие расстояния с участками

регенерации до 1000 км. Исследование фтористых и халькогенидных стекол с

добавками циркония, бария и других соединений, обладающих

сверхпрозрачностью в инфракрасном диапазоне волн, дает возможность еще

больше увеличить длину регенерационного участка.

Ожидаются новые интересные результаты в использовании нелинейных

оптических явлений, в частности соли тонного режима распространения

оптических импульсов, когда импульс может распространяться без изменения

формы или периодически менять свою форму в процессе распространения по

световоду. Использование этого явления в волоконных световодах позволит

существенно увеличить объем передаваемой информации и дальность связи без

применения ретрансляторов.

Весьма перспективна реализация в ВОЛС метода частотного разделения

каналов, который заключается в том, что в световод одновременно вводится

излучение от нескольких источников, работающих на разных частотах, а на

приемном конце с помощью оптических фильтров происходит разделение

сигналов. Такой метод разделения каналов в ВОЛС получил название

спектрального уплотнения или мультиплексирования.

При построении абонентских сетей ВОЛС кроме традиционной структуры

телефонной сети радиально-узлового типа предусматривается организация

кольцевых сетей, обеспечивающих экономию кабеля.

Можно полагать, что в ВОСП второго поколения усиление и преобразование

сигналов в регенераторах будут происходить на оптических частотах с

применением элементов и схем интегральной оптики. Это упростит схемы

регенерационных усилителей, улучшит их экономичность и надежность, снизит

стоимость.

В третьем поколении ВОСП предполагается использовать преобразование

речевых сигналов в оптические непосредственно с помощью акустических

преобразователей. Уже разработан оптический телефон и проводятся работы по

созданию принципиально новых АТС, коммутирующих световые, а не

электрические сигналы. Имеются примеры создания многопозиционных

быстродействующих оптических переключателей, которые могут использоваться

для оптической коммутации.

На базе ОК и цифровых систем передачи создается интегральная сеть

многоцелевого назначения, включающая различные виды передачи информации

(телефонирование, телевидение, передача данных ЭВМ и АСУ, видеотелефон,

фототелеграф, передача полос газет, сообщений из банков и т. д.). В

качестве унифицированного принят цифровой канал ИКМ со скоростью передачи

64 Мбит/с (или 32 Мбит/с).

Для широкого применения ОК и ВОСП необходимо решить целый ряд задач. К

ним прежде всего относятся следующие:

проработка системных вопросов и определение технико-экономических

показателей применения ОК на сетях связи;

массовое промышленное изготовление одномодовых волокон, световодов и

кабелей, а также оптоэлектронных устройств для них;

повышение влагостойкости и надежности ОК за счет применения металлических

оболочек и гидрофобного заполнения;

освоение инфракрасного диапазона волн 2...10 мкм и новых материалов

(фторидных и халькогенидных) для изготовления световодов, позволяющих

осуществлять связь на большие расстояния;

создание локальных сетей для вычислительной техники и информатики;

разработка испытательной и измерительной аппаратуры, рефлектометров,

тестеров, необходимых для производства ОК, настройки и эксплуатации ВОЛС;

механизация технологии прокладки и автоматизация монтажа ОК;

совершенствование технологии промышленного производства волоконных

световодов и ОК, снижение их стоимости;

исследование и внедрение солитонового режима передачи, при котором

происходит сжатие импульса и снижается дисперсия;

разработка и внедрение системы и аппаратуры спектрального уплотнения ОК;

создание интегральной абонентской сети многоцелевого назначения;

создание передатчиков и приемников, непосредственно преобразующих звук в

свет и свет в звук;

повышение степени интеграции элементов и создание быстродействующих узлов

каналообразующей аппаратуры ИКМ с применением элементов интегральной

оптики;

создание оптических регенераторов без преобразования оптических сигналов в

электрические;

совершенствование передающих и приемных оптоэлектронных устройств для

систем связи, освоение когерентного приема;

разработка эффективных методов и устройств электропитания промежуточных

регенераторов для зоновых и магистральных сетей связи;

оптимизация структуры различных участков сети с учетом особенностей

применения систем на ОК;

совершенствование аппаратуры и методов для частотного и временного

разделения сигналов, передаваемых по световодам;

разработка системы и устройств оптической коммутации.

Список исполлльзуемой литературы:

1. Оптические системы связи / Дж. Гауэр – М.: Радио и связь, 1989;

2. Линии связи / И. И. Гроднев, С. М. Верник, Л. Н. Кочановский. -

М.: Радио и связь, 1995;

3. Оптические кабели / И. И. Гроднев , Ю. Т. Ларин , И. И. Теумен.

- М.: Энергоиздат, 1991;

4. Оптические кабели многоканальных линий связи / А. Г. Мурадян, И.

С. Гольдфарб , В. Н. Иноземцев. - М.: Радио и связь, 1987;

5. Волоконные световоды для передачи информации / Дж. Э. Мидвинтер.

- М.: Радио и связь, 1983;

6. Волоконно-оптические линии связи / И. И. Гроднев. - М.: Радио и

связь, 1990

-----------------------

Достоинства

Недостатки

1. Более высокое отношение мощности принимаемого сигнала к излучаемой

мощности при меньших апертурах антенн передатчика и приемника.

1. Малая пригодность для радио вещания из-за высокой направленности

лазерного пучка.

[pic]

2. Лучшее пространственное разрешение при меньших апертурах антенн

передатчика и премника

3. Очень малые габариты передающего и приемного модулей, используемых для

связи на расстояния до 1 км

4. Хорошая скрытность связи

5. Освоение неиспользуемого участка спектра электромагнитных излучений

6. Отсутствие необходимости получения разрешение на эксплуатацию системы

связи

2. Высокая требуемая точность наведения антенн передатчика и приемника

3. Низкий КПД оптических излучателей

4. Сравнительно высокий уровень шума в приемнике, частичтно обусловленный

квантовой природой процесса детектирования оптического сигнала

5. Влияние характеристик атмосферы на надежность связи

6. Возможность отказов аппаратуры.

1. Возможность получений световодов с малыми затуханием и дисперсией, что

позволяет сделать большим расстояния между ретрансляторами (10 … 50 км)

2. Малый диаметр одноволоконного кабеля

3. Допустимость изгиба световода под малыми радиусами

4. Малая масса оптического кабеля при высокой информационной пропускной

способности

5. Низкая стоимость материала световода

1. Трудность соединения (сращивания) оптичеких волокон

2. Необходимость прокладки дополнительных электропроводящих жил в

оптическом кабеле для обеспечения электропитания динстационно управляемой

аппаратуры

3. Чувствительность оптического волокна к воздействию воды при ее попадании

в кабель

4. Чувствительность оптического волокна к воздействию ионизирующего

излучения

5. Низкий КПД источников оптического излучения при ограниченной мощности

излучения

Недостатки

Достоинства

6. Возможность получения оптический кабелей, не обладающих

электропроводностью и индуктивностью

7. Пренебрежимо малые перекрестные помехи

8. Высоко скрытость связи: ответвление сигнала возможно только при

непосредственном подсоединении к отдельному волокну

9. Гибкость в реализации требуемой полосы пропускания: световоды различных

типов позволяет заменить элуктрические кабели в цифровых системах связи

всех уровней иерархии

10. Возможность постоянного усовершенствования системы связи

6. Трудности реализации режима многостанционного (параллельного) доступа с

помощью шины с временным разделением каналов

7. Высокий уровень шума в приемнике

Страницы: 1, 2