1.4 Призначення, характеристики та різновиди оптоволоконних каналів зв’язку.
Оптоволоконний (волоконно-оптичний) кабель – це один із різновидів кабельного середовища передачі даних. Це технічний виріб, що складається з оптичного світловоду, захисних покриттів та маркованої кольорової оболонки.
Інформація по цьому кабелю передається не електричним сигналом, а світловим.
Головний елемент – це прозоре скловолокно, по якому світло проходить на величезні відстані (до десятків кілометрів) з незначним ослабленням.
Рис. 8. Структура оптоволоконного кабелю
Структура оптоволоконного кабелю дуже проста й схожа на структуру коаксіального електричного кабелю.
Тільки замість центрального мідного провідника тут використовується тонке скловолокно (3), а замість внутрішньої ізоляції - скляна або пластикова оболонка (2), що не дозволяє світлу виходити за межі скловолокна.
В даному випадку мова йде про режим так званого повного внутрішнього відбиття світла від границі двох речовин з різними коефіцієнтами переломлення (в скляній оболонці коефіцієнт переломлення значно нижчий, ніж у центрального волокна). Металеве обплетення кабелю зазвичай відсутнє, тому що екранування від зовнішніх електромагнітних перешкод тут не потрібне. Однак іноді його все-таки застосовують для механічного захисту від навколишнього середовища (такий кабель іноді називають броньовим, він може поєднувати під одною оболонкою декілька оптоволоконних кабелів).
Застосовують оптоволоконний кабель тільки в мережах з топологією зірка і кільце.
Фізичні параметри оптоволоконного кабелю.
Стійкість до електромагнітних перешкод.
Хімічна стійкість.
Смуга пропускання – 1012 Гц . Тому в такому середовищі корисний сигнал можна передавати із частотою 1022 Тбіт/с.
Швидкість передачі може бути збільшена вдвічі за рахунок того, що передача може відбуватися паралельно у двох напрямках.
Швидкість передачі може бути збільшена вдвічі також за рахунок хвиль, перпендикулярних один одному поляризацій.
Частотне ущільнення по лініям зв’язку – передача різних сигналів на різні довжини хвиль.
Дуже мале затухання світлового сигналу.
Технічні параметри оптоволоконного кабелю.
Основа оптоволокно – кварц, найпоширеніший матеріал в природі, дешевший за мідь.
Довгий термін експлуатації – 25 років.
Порівняно невеликий діаметр – 100 мікрон та мала вага, можуть використовуватися в авіації, приладобудуванні, кабельній техніці.
Можливість вбудови оптоволокно у високовольтні лінії.
Можливість збільшувати пропускну спроможність мережі.
Постійний контроль цілісності мережі завдяки (можливість «прослуховування» без шкоди для мережі).
По призначенню, волоконно-оптичні кабелі (ВОК) можна розділити на:
Монтажні (сполучні). Використовуються для механічної комутації і підключення апаратури;
Об'єктові. Використовуються для високошвидкісних з'єднань усередині будівель. Як правило, у них використовуються покриття, що погано поширюють горіння, виділяють Рису кількість диму, і не містять галогенів (LSF/OH - low smoke and fume zero halogen);
Міські, Зонові. З'єднують будинки, райони, міста області. Звичайно мережі, побудовані з їхнім використанням, мають довжина від 1-2 до 100 км.
Магістральні. Призначені для передачі інформаційних потоків на великі відстані. Для цього використовуються кабелю з дуже якісними оптичними волокнами.
По місцю прокладки:
По підземних комунікаціях телефонних і інших служб;
Призначені для прокладки в ґрунті. Посилена броня, захист від гризунів.
Підвісні (на стовпах освітлення, трубостійках, контактних опорах залізниць, опорах ЛЕП, і т.п.). Довжина прольоту може доходити до 450м.
Підводні.
Рис. 9. Будова оптоволоконного каналу зв’язку
Типова конструкція кабельного сердечника модульного типу.
1 – оптичне волокно в буфері (ОВ) або службова жила (СЖ) з м'якого мідного дроту; 2 – гідрофобний заповнювач (ГЗ); 3 – оболонка оптичного модуля (ОМ); 4 – гідрофобне заповнення; 5 – скріпний елемент, звичайно обмотка плівкою; 6 – центральний силовий елемент (ЦСЕ); 7 – проміжна оболонка кабелю; 8 – силовий елемент; 9 – захисна оболонка з ПЕ.
Роз’єми.
При всіх перевагах оптичних волокон, для монтажу мереж їх необхідно з'єднувати. Саме складність цього процесу для світловодів із кварцового скла є основним стримуючим фактором оптоволоконних технології.
Розглянемо докладніше види і способи з'єднання оптичних волокон. Для початку, потрібно принципово розділити зростки (нероз'ємні з'єднання), і оптичні роз’єми. У порівняно невеликих мережах (до декількох кілометрів діаметром) зростки не бажані, і їх варто уникати. Основний на сьогодні спосіб їхнього створення - зварювання електричним розрядом.
Рис. 10. Принцип зварювання оптичного волокна.
Таке з'єднання надійне, довговічне, і вносить мізерно Рисе загасання в оптичний тракт. Але для зварювання потрібно досить дороге устаткування (у районі декількох десятків тисяч доларів), і порівняно висока кваліфікація оператора.
Обумовлено це необхідністю високоточного сполучення кінців волокон перед зварюванням, і дотримання стабільних параметрів електричної дуги. Крім цього, потрібно забезпечити рівні (і перпендикулярні осі волокна) торці (відколи) волокон, що зварюються, що саме по собі є досить складною задачею.
Другий спосіб створення нероз'ємних з'єднань – механічний, або з використанням спеціальних з'єднувачів (сплайсів). Первісне призначення цієї технології – швидке тимчасове з'єднання, використовуване для відновлення працездатності лінії у випадку розриву. Згодом, на "ремонтні" сплайси деякі фірми почали давати гарантію до 10 років, і до декількох десятків циклів сполучення-роз'єднання. Принцип дії сплайса досить простий. Волокна закріплюються в механічному кондукторі, і спеціальними гвинтами зближаються один з одним. Для гарного оптичного контакту в місці стику використовується спеціальний гель зі схожими на кварцове скло оптичними властивостями. Незважаючи на зовнішню простоту і привабливість, спосіб не одержав широкого поширення. Причин цьому дві. По-перше, він усе-таки помітно уступає по надійності і довговічності зварюванню, і для магістральних телекомунікаційних каналів не придатний. По-друге, він обходиться дорожче, ніж монтаж клейових роз’ємів, і вимагає більш дорогого технологічного устаткування. Тому, він досить рідко застосовується і при монтажі локальних мереж.
Розглянемо роз’ємні з'єднання. Якщо межа дальності дії високошвидкісних електропровідних ліній на основі кручений пари залежить від роз'ємів, то в оптоволоконних системах внесені ними додаткові втрати досить Рисі. Загасання в них залишає близько 0,2-0,3 дб (або кілька відсотків). Тому цілком можливо створювати мережі складної топології без використання активного устаткування, комутуючи волокна на звичайних роз'ємах. Особливо помітні переваги такого підходу на невеликих по довжині, але розгалужених мережах "останньої милі". Дуже зручно відводити по одній парі волокон на кожен будинок від загальної магістралі, з'єднуючи інші волокна в комутаційній коробці "на прохід".
На сьогодні відомо кілька десятків типів роз'ємів, і немає того єдиного, на який був би стратегічно зорієнтований розвиток галузі в цілому. Але основна ідея усіх варіантів конструкцій проста і досить очевидна. Необхідно точно сполучити осі волокон, і щільно пригорнути їхні торці.
Рис. 11. Принцип дії оптоволоконного роз’єма контактного типу
Незважаючи на відсутність офіційно визнаного усіма виробниками типу роз’єму, фактично поширені ST і SC, досить схожі по своїх параметрам (загасання 0,2-0,3 дБ).
Рис. 12. Роз’єми оптичних волокон
Роз’єм ST – найдешевший і розповсюджений. Він небагато краще, ніж SC, пристосований до тяжких умов експлуатації завдяки простій і міцній металевій конструкції (допускає більше можливостей для застосування грубої фізичної сили). Як основні недоліки, можна назвати складність маркірування, трудомісткість підключення, і неможливість створення дуплексної вилки.
SC був розроблений японською компанією NTT, з використанням такого ж, як у ST, керамічного наконечника діаметром 2,5 мм. Але основна ідея полягає в легкому пластмасовому корпусі, добре захищаючому наконечник, і забезпечуючи плавне підключення і відключення одним лінійним рухом. Така конструкція дозволяє досягти великої щільності монтажу, і легко адаптується до зручних здвоєних роз’ємів. Тому роз’єми SC рекомендовані для створення нових систем, і поступово витісняють ST.
Одномодові і багатомодові оптичні волокна
По типу конструкції, вірніше по розмірі серцевини, оптичні волокна поділяються на одномодові (ОМ) і багатомодові (БМ).
Рис. 13. Одномодові і багатомодові оптичні волокна
У випадку багатоходового волокна діаметр сердечника (звичайно 50 або 62,5 мкм) майже на два порядки більше, ніж довжина світлової хвилі. Це означає, що світло може поширюватися у волокні по декількох незалежних шляхах (модам). При цьому очевидно, що різні моди мають різну довжину, і сигнал на приймачі буде помітно "розмазаний" за часом.
Через це хрестоматійний тип східчастих волокон (варіант 1), з постійним коефіцієнтом переломлення (постійною щільністю) по всьому перетині сердечника, уже давно не використовується через великий модовій дисперсії.
На зміну йому прийшло градієнтне волокно, що має нерівномірну щільність матеріалу сердечника. На рисунку добре видно, що довжини шляху променів сильно скорочені за рахунок згладжування. Хоча промені, що проходять далі від осі світловода, переборюють великі відстані, вони при цьому мають велику швидкість поширення. Відбувається це через те, що щільність матеріалу від центра до зовнішнього радіуса зменшується по параболічному законі. А світлова хвиля поширюється тим швидше, чим менше щільність середовища.
Однак, як би не були збалансовані градієнтні багатомодові волокна, цілком усунути цю проблему можна тільки при використанні волокон, що мають досить малий діаметр сердечника. У які, при відповідній довжині хвилі, буде поширюватися один єдиний промінь
Принцип роботи оптоволоконної лінії не складний. Джерелом розповсюджуваного по оптичних кабелях світла є світлодіод (або напівпровідниковий лазер), а кодування інформації здійснюється дворівневою зміною інтенсивності світла (0-1). На іншому кінці кабелю приймаючий детектор перетворить світлові сигнали в електричні.
Для передачі інформації Рисо створити світлову хвилю, треба її зберегти і направити в потрібному напрямку. В однорідному середовищі світло (електромагнітна хвиля) поширюється прямолінійно, але на границі зміни щільності середовища по оптичних законах відбувається зміна напрямку (відображення), або переломлення.
У використовуваних у даний час схемах промінь від світлодіода або лазера впускають у більш щільне середовище, обмежене менш щільним. При правильному підборі матеріалів, відбувається ефект повного відображення (переломлення відсутнє). Таким чином, що транспортується сигнал "йде" усередині замкнутого середовища, проробляючи шлях від джерела сигналу до його приймача.
На сьогодні волоконно-оптичні системи працюють зі швидкостями, що перевищують 1 Тбіт/с на відстань понад 3000 км без підсилення.