6.3.2. Волоконно-оптические линии связи
Оптическое волокно для транспортировки света, как правило, представляет собой двухслойную круглую вытянутую нить из оптически прозрачных диэлектриков (рис. 6.12, а). Сердцевина волокна с диаметром d1 выполнена из материала с показателем преломления n1 (тяжелые флинты), большим, чем у оболочки – n2 (легкие кроны). Волокна называются толстыми, или многомодовыми (рис. 6.12, в), если d1>>, где – длина волны оптического излучения. В тонких волокнах d1.
Если в тонком волокне выполняется условие
, (6.3)
то волокно становится одномодовым (рис. 6.12, г) и по нему распространяется только один луч (линия 1 на рис. 6.12, б).
Модами в оптическом волноводе называют неизменяемые поперечные распределения поля, распространяемого вдоль волновода с сохранением определенного состояния поляризации и с постоянной групповой скоростью. Излучение, распространяющееся по волокну, обычно представляют в виде одной или совокупности нескольких мод внутри числовой апертуры А (рис. 6.12, б, угол между линиями 2 и 2/). За пределами числовой апертуры луч выходит за границу сердечника (линия 3) или за границу оболочки (линия 4).
a б
в г
Р и с. 6.12. Оптическое волокно круглого сечения: а – структурная схема; б – траектория распространения меридиональных лучей; в – многомодовое волокно; г – одномодовое волокно
Прозрачность волокна зависит от наличия паразитных примесей, длины волны, толщины волокна, применяемого материала и находится в пределах от долей единицы (для одномодовых волокон) до нескольких сотен (для многомодовых) дБел/км. Энергетические соотношения для различных типов волокон можно считать строгими при радиусе изгиба световода Rи > 60d2. При нарушении этого условия часть световой энергии уходит в оболочку и за пределы волокна, что особенно важно учитывать при проектировании линий связи.
Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) – это вид системы передачи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием «оптическое волокно» [107, 109, 125, 150]. Волоконно-оптическая сеть – это информационная сеть, связующими элементами между узлами которой являются волоконно-оптические линии связи. Технологии волоконно-оптических сетей помимо волоконной оптики охватывают также вопросы, касающиеся оптоэлектронного приемопередающего оборудования, его стандартизации, протоколов передачи, топологии сети и общие вопросы построения сетей.
В соответствии со стандартом ISO/IEC 11801 оптические каналы для передачи данных различаются по классам OF, обеспечивающим приложения оптического канала на расстояниях до 300, 500 и 2000 м. Кроме классов каналов определены три класса структурированного многомодового (ММ) волокна и один класс структурированного одномодового (ОМ) волокна. Эти классы дифференцируются по затуханию и широкополосности. Предельно допустимое затухание сигнала в ММ-волокнах классов OM1, OM2, OM2 Plus и OM3 при длинах волн 850 и 1300 нм составляет (3,5...1,5) дБ/км, а для одномодового волокна класса OS1 при длинах волн 1310 и 1550 нм этот показатель 1 дБ/км.
По конструктивному исполнению различают одно– и многожильные кабели (рис. 6.13, а); с профильным пластмассовым сердечником, в пазы которого помещаются волокна (рис. 6.13, б); ленточного типа из 6, 8 или 12 лент по 12 волокон в ленте. Структурированные магистральные кабели на основе ММ-волокна диаметром 50/125 и 62,5/125 мкм применяются для передачи данных с высокой скоростью в локальных сетях, на среднем и первичном верхнем уровнях SCADA-систем и АСКУЭ. Например, волокна класса OM2 Plus позволяют достичь длины линии от 200 до 300 м при скорости 1...10 Гбит/с. На расстояниях более 300 м применяют одномодовые кабели OS1. Ведущие производители оптической кабельной продукции и оптических соединительных устройств – Lucent Technologies, Hellerman, POUYET, Fujikura, Ericsson, LG, Raychem, Reichle&De-Massari, Alkatel, Tyco Electronics, ЗАО «Самарская ОКК», «Москабель-Фуджикура», НФ «Электропровод», ЦНИТИ «Техномаш», ЗАО «Связьстройдеталь», ОАО «Авангард» и др.
В волоконно-оптических линиях связи применяют способы стыковки волокон через микролинзу и прямое (стыковое, сварное, клеевое) соединение. Соединительными устройствами являются разнообразные оптические муфты, варианты которых показаны на рис. 6.13, в-д. С целью выработки единых требований к параметрам муфт для монтажа оптических кабелей и их применения Международный союз электросвязи выпустил ряд рекомендаций: «Технология линейно-кабельных сооружений сетей общего пользования», «Конструкции, прокладка, соединение и защита оптических кабелей связи» и др.
а б
в г д
Р и с. 6.13. Оптические волокна и разъемы: а – внутриаппаратный одножильный кабель ОК-М(0,9); б – магистральный многожильный бронированный кабель ОКБ-МNT НФ «Электропровод»; в – соединительная одножильная муфта FC/PC; г – четырехжильная муфта FST фирмы Raychem для воздушных и подземных оптоволоконных линий; д – муфта-разветвитель фирмы POUYET
Уплотнение и коммутация оптических сигналов осуществляются оптическими мультиплексорами и демультиплексорами с различными функциональными возможностями. Наиболее распространенные варианты уплотнения оптических сигналов основаны на временном принципе, описанном выше для кабельных каналов [109-113]. Например, мультиплексор ТС-4Е1 предназначен для уплотнения четырех цифровых потоков Е1 (2,048 Мбит/с) в цифровой поток Е2 (8,448 Мбит/с). Оборудование работает на длине волны 1,3 мкм или 1,55 мкм, используемый оптический кабель – одномодовый или многомодовый [103]. Многофункциональный мультиплексор MUXpro 700 предназначен для уплотнения до 4E1/T1 + 4 Fast Ethernet или 3E1/T1 + универсальный порт данных + 4 Fast Ethernet в одном волоконно-оптическом канале. Он имеет автоматическую защиту оптической связи и полный набор диагностических функций.
Операция оптического демультиплексирования сводится к разделению всех несущих в точке терминирования агрегатного потока. Эта задача решается, как правило, устройствами мультиплексирования, подключенными в обратном направлении.
Из всех перспективных технологий цифровых волоконно-оптических сетей передачи благодаря простоте и востребованности предлагаемых решений наиболее быстро развиваются технологии WDM (Wawelenght Division Multiplexing – мультиплексирование по длинам волн) [112, 113]. Операция мультиплексирования математически описывается функцией суммирования модулированных оптических несущих i (i = 1, 2,…, n), у которых спектры не перекрываются и шаг между номинальными центральными частотами постоянен. При этом процесс суммирования может осуществляться последовательно с использованием функции пространственного интерливинга – перемежения или чередования несущих. Она позволяет решать задачу мультиплексирования до n=400 несущих с шагом h=25…50 ГГц. Получаемый волновой мультиплексор (MUX) имеет два или более входных портов и один выходной порт. Световой поток в каждом входном порту ограничивается предварительно выбранным диапазоном длин волн, а выход является комбинацией световых потоков этих портов.
Наиболее перспективный вариант волнового мультиплексора содержит дифракционную решетку на массиве волноводов – AWG (Arrayed Waveguide Grating). В основе технологии AWG (рис. 6.14) лежит обобщенный принцип интерферометра Маха-Цендера. Мультиплексор состоит из двух многопортовых разветвителей (входного и выходного), соединенных массивом планарных оптических волноводов. Физический принцип работы заключается в использовании эффекта дифракционной решетки, возникающего в результате отличия длин Li соседних световодов в составе массива на величину L. Разность пути световых потоков в массиве световодов определяет шаг спектрального уплотнения сигналов.
Р и с. 6.14. Упрощенная структурная схема мультиплексора AWG
Многоканальные AWG выпускаются в виде готовых модулей, отличающихся малыми габаритами и средним уровнем вносимых потерь (2,2…6,4 дБ).
В качестве источников излучения в соответствии со стандартами Gigabit Ethernet для работы в коротковолновом окне прозрачности 850 нм используется светодиодный излучатель типа VCSEL (протокол 1000Base-SX), а в длинноволновом окне 1300 нм – лазер (протокол 1000Base-LX). При использовании рубинового лазера скорость передачи на расстояние до 60 км доходит до 200 Мбит/с. В автономных системах и на полевом уровне могут применяться другие стандарты источников излучения.
Стандарт ITUT G.693 Международного союза телекоммуникаций учитывает требования по созданию недорогих высокоскоростных оптических звеньев для взаимосвязи различных устройств, расстояние между которыми не превышает 2 км при скоростях от 2 до 40 Гбит/с. Стандарт может применяться для связи интеллектуальных датчиков с контроллерами и диспетчерскими пунктами по сети, включающей маршрутизаторы, DWDM-терминалы и SDH-мультиплексоры [109].
К числу главных достоинств волоконно-оптических линий связи можно отнести следующие параметры.
Высокая несущая частота и широкая полоса пропускания волоконно-оптических линий связи (до нескольких десятков ТГц) создают потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько Тбит в секунду.
Малое затухание (0,1...0,3 дБ/км при =1,55 мкм), отсутствие взаимной интерференции и небольшая дисперсия позволяют построить участки линий без ретрансляции протяженностью до 400 км и более.
Гальваническая развязка элементов сети, невосприимчивость к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.), высокая изоляционная прочность (5 кВ/см) обеспечивают высокую надежность и качество линий связи.
Малый вес (m30 г/км) и объем (d125 мкм) позволяют заменить 900-парный медный кабель диаметром D =7,5 см на ВОЛС с D 0,1 см в расчете на одну и ту же пропускную способность.
Высокая защищенность от несанкционированного доступа обеспечивается отсутствием излучения в радиодиапазоне.
Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность АСКУЭ на химических и нефтеперерабатывающих предприятиях.