–PAGE_BREAK–
Преимущества ВОЛС
Передача информации по ВОЛС имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю. Стремительное внедрение в информационные сети Волс является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне.
Широкая полоса пропускания— обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 1014Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания — это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.
Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более.
Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабелепозволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с малой ибыточностью кода.
Высокая помехозащищенность. 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 влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.
Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели (ВОК) 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» в множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого ВОК будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.
Высокая защищенность от несанкционированного доступа.Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить «взламываемый» канал связи и подать сигнал тревоги. Сенсорные системы, использующие интерференционные эффекты распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации) имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Такие системы 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. Волокно помогает избежать электрических «земельных» петель, которые могут возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например на разных этажах. При этом может возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование. Для волокна этой проблемы просто нет.
Взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.
Экономичность ВОК. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличии от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. При этом ВОК позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК. При использовании солитонных систем передачи достигнуты дальности в 4000 км без регенерации (то есть 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 ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающих систем.
Удаленное электропитание.В некоторых случаях требуется удаленное электропитание узла информационной сети. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля. Однако, в этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медным проводящим элементом. Такой кабель широко используется как в России, так и за рубежом.
Есть в волоконной технологии и свои недостатки
При создании линии связи требуются активные высоконадежные 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 должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.
Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется дорогостоящее технологическое оборудование:
а) инструменты для оконцовки;
б) коннекторы;
в) тестеры;
г) муфты и спайс- кассеты.
Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.
Оптическое волокно и его виды
Промышленность многих стран освоила выпуск широкой номенклатуры изделий и компонентов оптоволокна. Следует заметить, что производство компонентов отличает высокая степень концентрации.
Большинство предприятий сосредоточено в США. Обладая главными патентами, американские фирмы (в первую очередь это относится к фирме «CORNING GLASS») оказывают влияние на производство и рынок компонентов во всем мире, благодаря заключению лицензионных соглашений с другими фирмами и созданию совместных предприятий.
Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовоеSMF (single mode fiber)и многомодовоеMMF (multi mode fiber). Свое название волокна получили от способа распространения излучения в них. Волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления. В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10 мкм, то есть сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода, как ее называют).
Одномодовые волокнаподразделяются на ступенчатые одномодовые волокна (step index single mode fiber) или стандартные волокна SF (standard fiber), на волокна со смещенной дисперсией DSF (dispersion-shifted single mode fiber), и на волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (non-zero dispersion-shifted single mode fiber).
Одномодовое волокно
Согласно законам физики, при достаточно малом диаметре волокна и соответствующей длине волны через световод будет распространяться единственный луч. Вообще сам факт подбора диаметра сердечника под одномодовый режим распространения сигнала говорит о частности каждого отдельного варианта конструкции световода. Т.е. при употреблении понятий много- и одномодовости следует понимать характеристики волокна относительно конкретной частоты используемой волны. Распространение лишь одного луча позволяет избавиться от межмодовой дисперсии. Как уже отмечалась именно эта дисперсия имеет наибольшее влияние на пропускную способность канала. Величины материальной и межчастотной дисперсии на порядки меньше межмодовой. Однако одномодовое волокно исключает возможность распространения нескольких лучей, поэтому межмодовая дисперсия отсутствует, в связи с чем одномодовые световоды на порядки производительнее. На данный момент применяется сердечник с внешним диаметром около 8 микрон. Как и в случае с многомодовыми световодами, используется и ступенчатая и градиентная плотность распределения материала. Второй вариант более производительный. Одномодовая технология более тонкая, дорогая и применяется в настоящее время в телекоммуникациях, многомодовые же кабели завоевали свою нишу в локальных компьютерных сетях.
Многомодовое ступенчатое волокно
Основное различие между вариантами оптического волокна состоит в свойствах применяемого в них сердечника. Самый простой вариант сердечника — это кварцевое стекло с равномерной плотностью. Если отобразить плотности распределения слоев волокна, то получится ступенчатая картина, что и отображено в названии этого типа волокна. При достаточно большом радиусе равномерно плотного световода наблюдается эффект межмодовой дисперсии. Ее влияние на производительность оптического канала оказывается много больше межчастотной и материальной. Поэтому при расчете пропускной способности канала пользуются именно ее показателями. В настоящее время используют три стандартных диаметра сердечника многомодового волокна: 100 микрон, 62.5 микрон и 50 микрон. Наиболее распространены световоды диаметром 62.5 микрон, однако постепенно все более прочные позиции завоевывает сердечник 50 микрон. Вследствие простых геометрических законов распространения света несложно убедиться в его большей пропускной способности, поскольку он пропускает меньшее количество мод, тем самым уменьшая дисперсию импульса на выходе. Размер световодов выбран не случайно. Он непосредственно связан с используемой частотой световой волны. На данный момент выделяют три основных длины волны: 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Почему выбраны именно эти длины волн, мы поясним позже. Многомодовые ступенчатые волокна обладают малой пропускной способностью относительно действительных возможностей света, в связи с этим чаще в многомодовой технологии используют градиентные волокна.
Многомодовое градиентное волокно
Название волокна говорит само за себя. Основное отличие градиентного волокна от ступенчатого заключается в неравномерной плотности материала световода. Если отобразить плотности распределение на графике, то получится параболическая картина. Эффект межмодовой дисперсии как и в случае ступенчатой схемы все же проявляется, однако намного меньше. Это легко объяснимо с точки зрении геометрии. На рисунке видно, что длины пути лучей сильно сокращены за счет сглаживания. Более того интересен тот факт, что лучи проходящие дальше от оси световода хотя и преодолевают большие расстояния, но при этом имеют большие скорости, так как плотность материала от центра к внешнему радиусу уменьшается. А световая волна распространяется тем быстрее, чем меньше плотность среды. В итоге более длинные траектории компенсируются большей скоростью. При удачно сбалансированном распределении плотности стекла возможно свести к минимуму разницу во времени распространения, за счет этого межмодовая дисперсия градиентного волокна намного меньше. Как и в случае со ступенчатым волокном, в настоящее время используют три стандартных диаметра градиентного сердечника: 100 микрон, 62.5 микрон и 50 микрон, работающих также на частотах 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Однако насколько не были бы сбалансированны градиентные многомодовые волокна, их пропускная способность не сравниться с одномодовыми технологиями.
Волоконно-оптический кабель
Вторым важнейшим компонентом, определяющим надежность и долговечность является волоконно-оптический кабель (ВОК). На сегодня в мире несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них: AT&T, General Cable Company (США); Siecor (ФРГ); BICC Cable (Великобритания); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония), Pirelli(Италия).
Определяющими параметрами при производстве ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи. По условиям эксплуатации кабели подразделяют на:
— монтажные
— станционные
— зоновые
— магистральные.
Первые два типа кабелей предназначены для прокладки внутри зданий и сооружений. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую строительную длину. Кабели последних двух типов предназначены для прокладки в колодцах кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти кабели имеют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух километров.
Для обеспечения большой пропускной способности линии связи производятся ВОК, содержащие небольшое число (до 8) одномодовых волокон с малым затуханием, а кабели для распределительных сетей могут содержать до 144 волокон как одномодовых, так и многомодовых, в зависимости от расстояний между сегментами сети.
При изготовлении ВОК в основном используются два подхода:
конструкции со свободным перемещением элементов
конструкции с жесткой связью между элементами.
По видам конструкций различают кабели повивной скрутки, пучковой скрутки, с профильным сердечником, ленточные кабели. Существуют многочисленные комбинации конструкций ВОК, которые в Сочетании с большим ассортиментом применяемых материалов позволяют выбрать исполнение кабеля, наилучшим образом удовлетворяющее всем условиям проекта, в том числе — стоимостным.
Отдельно рассмотрим способы сращивания строительных длин кабелей.
Сращивание строительных длин оптических кабелей производится с использованием кабельных муфт специальной конструкции. Эти муфты имеют два или более кабельных ввода, приспособления для крепления силовых элементов кабелей и одну или несколько сплайс-пластин. Сплайс-пластина — это конструкция для укладки и закрепления сращиваемых волокон разных кабелей.
После того, как оптический кабель проложен, необходимо соединить его с приемо-передающей аппаратурой. Сделать это можно с помощью оптических коннекторов (соединителей). В системах связи используются коннекторы многих видов.
Области применения и классификация волоконно-оптических кабелей (ВОК)
В зависимости от основной области применения волоконно-оптические кабели подразделяются на три основных вида:
· кабели внешней прокладки (outdoor cables);
· кабели внутренней прокладки (indoor cables);
· кабели для шнуров.
www.tls-group.ru/sks/vols/pic/kab_krug.jpgКабели внешней прокладки используются при создании подсистемы внешних магистралей и связывают между собой отдельные здания.
Основной областью использования кабелей внутренней прокладки является организация внутренней магистрали здания, тогда как кабели для шнуров предназначены в основном для изготовления соединительных и коммутационных шнуров, а также для выполнения горизонтальной разводки при реализации проектов класса «fiber to the desk» (волокно до рабочего места) и «fiber to the room» (волокно до комнаты).
Общую классификацию оптических кабелей СКС можно представить в виде как показано на рисунке.
Электронные компоненты систем оптической связи
Передающие оптоэлектронные модули
Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), применяемые в волоконно-оптических системах, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Последние должны быть введены в волокно с минимальными потерями. Производятся весьма разнообразные ПОМ, отличающиеся по конструкции, а также по типу источника излучения. Одни работают на телефонных скоростях с максимальным расстоянием до нескольких метров, другие передают сотни и даже тысячи мегабит в секунду на расстояния в несколько десятков километров.
Типы и характеристики источников излучения
Главным элементом ПОМ является источник излучения. Перечислим основные требования, которым должен удовлетворять источник излучения, применяемый в ВОЛС:
— излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна. В традиционных оптических волокнах существует три окна, в которых достигаются меньшие потери света при распространении: 850. 1300, 1550 нм;
— источник излучения должен выдерживать необходимую частоту модуляции для обеспечения передачи информации на требуемой скорости;
— источник излучения должен быть эффективным, в том смысле, что большая часть излучения источника попадала в волокно с минимальными потерями;
— источник излучения должен иметь достаточно большую мощность, чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, но и не на столько, чтобы излучение приводило к нелинейным эффектам или могло повредить волокно или оптический приемник;
— температурные вариации не должны сказываться на функционировании источника излучения;
— стоимость производства источника излучения должна быть относительно невысокой.
Два основных типа источников излучения, удовлетворяющие перечисленным требования используются в настоящее время – светодиоды (LED) и полупроводниковые лазерные, (LD).
Главная отличительная черта между светодиодами и лазерными диодами -это ширина спектра излучения. Светоизлучающие диоды имеют широкий спектр излучения, в то время верные диоды имеют значительно более узкий спектр, см. рис 1. Оба типа устройств весьма компактны и хорошо сопрягаются со стандартными электронными цепями.
Рис 1. Спектры излучения светодиодов и лазерных диодов
Светоизлучающие диоды
Благодаря своей простоте и низкой стоимости, светодиоды распространены значительно шире, чем лазерные диоды.
Принцип работы светодиода основан на излучательной рекомбинации носителей заряда в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока, рис. 2. а. Носители заряда – электроны и дырки – проникают в активный слой (гетеропереход) из прилегающих пассивных слоев (р- и n-слоя) вследствие подачи напряжения на р-n структуру и затем испытывают спонтанную рекомбинацию, сопровождающуюся излучением света.
Длина волны излучения X (мкм) связана с шириной запрещенной зоны активного слоя Eg (эВ) законом сохранения энергии λ= 1,24/Еg, рис. 2. б.
Показатель преломления активного слоя выше показателя преломления ограничивающих пассивных слоев, благодаря чему рекомбинационное излучение может распространяться в пределах активного слоя, испытывая многократное отражение, что значительно повышает КПД источника излучения.
Двойная гетероструктура: а) гетероструктура;
б) энергетическая диаграмма при прямом смещении
Гетерогенные структуры могут создаваться на основе разных полупроводниковых материалов. Обычно в качестве подложки используются GaAs и 1пР. Соответствующий композит композиционный состав активного материала выбирается в зависимости от длины волны излучения создается посредством напыления на подложку.
Длину волны излучения λ0 определяют как значение, соответствующее максимуму спектрального распределения мощности, а ширину спектра излучения Δλ0,5 – интервал длин волн, в котором спектральная плотность мощности составляет половину максимальной.
Лазерные диоды
Два главных конструктивных отличия есть у лазерного диода по сравнению со светодиодом. Первое, лазерный диод имеет встроенный оптический резонатор. Второе, лазерный диод работает при значительно больших значениях токов накачки, чем светодиод, что позволяет при превышении некоторого порогового значения получить режим индуцированного излучения. Именно такое излучение характеризуется высокой когерентностью, благодаря чему лазерные диоды имеют значительно меньше ширину спектра излучения (1-2 нм) против 30-50 нм у светодиодов.
Зависимость мощности излучения от тока накачки описывается ватт-амперной характеристикой лазерного диода. При малых токах накачки лазер, испытывает слабое спонтанное излучение, работая как малоэффективный светодиод. При превышении некоторого порогового значения тока накачки Ithres, излучение становится индуцированным, что приводит к резкому росту мощности излучения и его когерентности, рис.3
Рис. 3 Ватт-амперные характеристики: 1 – лазерного диода; 2 -светодиода
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. 4 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. 5).
Рис. 5. 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 табл.5 и на (рис.5).
Таблица 5
Излучатель
Мощность, мВт
Диаграмма, град
Ширина спектра, мм
Срок службы, ч
Лазер Светодиод
10… 40
5…20
4… 20
60… 80
1…3
30… 50
104… 105
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. 6. 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.6).
Таким образом в лазерах электричество преобразуется в свет, а в фотодиодах происходит обратный процесс: свет преобразуется в электричество.
В магистральных ВОЛС используются два окна 1,3 и 1,55 мкм. Поскольку наименьшее затухание в волокне достигается в окне 1,55 мкм, на сверхпротяженных безретрансляционных участках (L = 100 км) эффективней использовать оптические передатчики именно с этой длиной волны. В то же время на многих магистральных ВОЛС а состав ВОК входят только ступенчатые одномодовые волокна, имеющие минимум хроматической дисперсии в окрестности 1,3 мкм (волокон со смещенной дисперсией нет). На длине волны 1,55 мкм удельная хроматическая дисперсия у SMF составляет 17 пс/нм-км. А поскольку полоса пропускания обратно пропорциональна ширине спектра излучения, то увеличить полосу пропускания можно только меньшая ширину спектра излучения лазера. Итак, для того чтобы оптические передатчики на длине волны 1,55 мкм могли в равной степени использоваться на протяженной линии не только с одномодовым волокном со смещенной дисперсией (DSF), но и со ступенчатым волокном (SMF), необходимо делать ширину спектра излучения передатчиков как можно меньше.
Четыре основных типа лазерных диодов получили наибольшее распространение: с резонатором Фабри-Перо; с распределенной обратной связью; с распределенным брэгговским гражением; с внешним резонатором.
Лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо (FP лазеры, Fabry-Perot). Резонатор в таком лазерном диоде образуется торцевыми поверхностями, окружающими с обеих сторон гетерогенный переход. Одна из поверхностей отражает свет с коэффициентом отражения, близким к 100%, другая является полупрозрачной, обеспечивая, таким образом, выход излучения наружу.
На рис. 1 б показан спектр излучения промышленного лазерного диода с использованием резонатора Фабри-Перо. Как видно из рисунка, наряду с главным пиком, в котором сосредоточена основная мощность излучения, существуют побочные максимумы. Причина их возникновения связана с условиями образования стоячих волн. Для усиления света определенной длины волны необходимо выполнение двух условий. Первое, длина волны должна удовлетворять соотношению 2D = NΔλ где D – диаметр резонатора Фабри-Перо, а N – некоторое целое число. Второе, длина волны должна попадать в диапазон, в пределах которого свет может усиливаться индуцированным излучением. Если этот диапазон достаточно мал, то имеет место одномодовый режим с шириной спектра меньше 1 нм. В противном случае в область Δλ0,5 могут попасть два или более соседних максимумов, что соответствует многомодовому режиму с шириной спектра от одного до нескольких нм. FP лазер имеет далеко самые высокие технические характеристики, но для тех приложений, где не требуется высокая высокая скорость передачи данных, он, в силу более простой конструкции, наилучшим образом подходит с точки зрения цена-эффективность.
Следует отметить, что даже в том случае, когда соседние максимумы малы, то есть где реализуется одномодовый режим излучения и Δλ мало, с ростом скорости передачи у лазера наблюдается перераспределение мощности в модах, которое приводит к паразитному эффекту – динамическому уширению спектра Δλ (до 10 нм при частоте модуляции 1-2 ГГц).
Этот эффект отсутствует у перечисленных трех других более совершенных типов лазерных диодов, отличающихся способом организации оптического резонатора, и являющихся некоторой степени модернизацией простого резонатора Фабри-Перо.
Лазерные диоды с распределенной обратной связью (DFB лазер) и с распределена брэгговским отражением (DBR лазер). Резонаторы у этих двух довольно схожих типов представляют собой модификацию плоского резонатора Фабри-Перо, в которой добавлена периодическая пространственная модуляционная структура. В DFB лазерах периодическая структура совмещена с активной областью (рис. 7 а), а в DBR лазерах периодическая структура вынесена за пределы активной области (рис. 7. б). Периодическая структура влияет условия распространения и характеристики излучения. Так, преимуществами DFB и DBR лазеров по сравнению с FP лазером являются: уменьшение зависимости длины волны лазера тока инжекции и температуры, высокая стабильность одномодовости и практически 10 процентная глубина модуляции. Температурный коэффициент Δλ/ΔТ для FP лазера порядка 0,5-1 нм/°С, в то время как для DFB лазера порядка 0,07-0,09 нм/°С. Основным недостатке DFB и DBR лазеров является сложная технология изготовления и, как следствие, более высокая цена.
Лазерный диод с внешним резонатором (ЕС лазер). В ЕС лазерах один или оба торца покрываются специальным слоем, уменьшающим отражение, и соответственно, одно или два зеркала ставятся вокруг активной области полупроводниковой структуры. На рис. 7-7 в) показан пример ЕС лазера с одним внешним резонатором. Антиотражательное покрытие уменьшает коэффициент отражения примерно на четыре порядка, в то время как другой торец активного слоя отражает до 30% светового потока благодаря френелевскому отражению. Зеркало, как правило, совмещает функции дифракционной решетки. Для улучшения обратно связи между зеркалом и активным элементом устанавливается линза.
Увеличивая или уменьшая расстояние до зеркала, а также одновременно разворачивая зеркало-решетку – это эквивалентно изменению шага решетки -можно плавно изменять длину волны излучения, причем диапазон настройки достигает 30 нм. В силу этого, ЕС лазеры являются незаменимыми при разработке аппаратуры волнового уплотнения и измерительной аппаратуры для ВОЛС. По характеристикам они схожи с DFB и DBR лазерами.
Другие характеристики
Также важными характеристиками источников излучения являются: быстродействие источника излучения; деградация и время наработки на отказ. Быстродействие источника излучения. Экспериментально измеряемым параметром, отражающим быстродействие источника излучения, является максимальная частота модуляции, Предварительно устанавливаются пороги на уровне 0,1 и 0,9 от установившегося значения мощности светового излучения при низкочастотной модуляции прямоугольными импульсами тока. По мере роста частоты модуляции, т.е. при переходе на меньшие масштабы по временной шкале, форма световых фронтов становится более пологой. Для описания фронтов вводят времена нарастания Trise и спада tmi мощности излучения, определяемые как временные интервалы, за которые происходит нарастание от 0,1 до 0,9 и, наоборот, спад светового сигнала от 0,9 до 0,1. Максимальная частота модуляции определяется как частота входных электрических импульсов, при которой выходной оптический сигнал перестает пересекать пороговые значения 0,1 и 0,9, оставаясь при этом во внутренней области. Для светодиодов эта частота может достигать до 200 МГц, а у лазерных диодов – значительно больше (несколько ГГц). Времена нарастания и спада предоставляют информацию о полосе пропускания W. Если предположить, что они равны между собой (а это не всегда так), то полосу пропускания можно определить по формуле: W = 0,35/τrise.
Рис. 7. Три основных типа лазерных диодов: а) лазер с распределенной обратной связью, DFB лазер; б) лазер с распределенным брэгговским отражением, DBR лазер; в) лазер с одним внешним резонатором, ЕС лазер
Деградация и время наработки на отказ. По мере эксплуатации оптического передатчика его характеристики постепенно ухудшаются – падает мощность излучения, и, в конце концов, он выходит из строя. Это связано с деградацией полупроводникового слоя. Надежность полупроводникового излучателя определяется средней наработкой на отказ или интенсивностью отказов. Лазерные диоды, выпускаемые десять лет назад, обладали значительно меньшей надежностью по сравнению со светодиодами. Однако в настоящее время, благодаря совершенствованию конструкций и технологии изготовления, удалось значительно повысить надежность лазерных диодов и приблизить их к светодиодам по времени наработки на отказ, которое составляет до 50000 часов и более (5-8 лет).
Основные элементы ПОМ
Для организации передачи оптических сигналов не достаточно иметь только источник излучения. В любой конструкции ПОМ есть специальный держатель (housing), который позволяет закрепить и защитить составные элементы передатчика; источник излучения, узел электрического интерфейса и место сопряжения с волокном. Иногда требуются дополнительные внутренние элементы для оптимального подсоединения волокна. Важным элементом лазерных диодов является цепь тока накачки, и система контроля температуры. Для сложных лазерных систем добавляют выходной мониторинг оптического сигнала. Общая схема конструкции оптического передатчика, в которой не все элементы являются обязательными, показана на рис. 8.
Рис. 8. Составляющие элементы передающего оптоэлектронного модуля
продолжение
–PAGE_BREAK–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, , 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; — 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 — 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).
Как видно из рисунка, с увеличением длины волны уменьшается и проходит через нуль, а несколько растет. Вблизи 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 табл. 4 приведены дисперсионные свойства различных типов ВС.
Таблица 4
Вид дисперсии
Величина дисперсии световода
многомодового
одномодового
ступенчатого
градиентного
Волноводная
Малое значение
Взаимная компенсация
Материальная
2…5 нс/км
0,1…0,3 нс/км
Малые значения
Межмодовая
30…50 нс/км
2…4 нс/км
—
Полоса частот
Десятки мегагерц
Сотни мегагерц
Тысячи 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 . 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. 9. Зависимость дисперсии () и пропускной способности () ОК от длины линии
На рис.9 показан характер зависимостей дисперсии () и пропускной способности () 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 (), у которых уширение импульсов с длиной растет линейно,
для длинных линий (), у которых действует закон изменения величины ширины импульсов,
где — дисперсия на 1 км; — искомое значение дисперсии; —длина линии; —длина линии устанавливающего режима (5…7 км для ступенчатого и 10…15 км для градиентного волокна).
Километрическое значение полосы пропускания определяется величиной уширения импульсов:
Физические процессы 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.10).
Рис.10 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.11).
Рис. 11. 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 (табл.2). 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 2
Диапазон
ИКЛ
ВЛ
УФЛ
f, Гц
1012… 1014
10—14… 1015
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 (табл.3).
Таблица 3 (Передача по электрическим (ЭК), оптическим (ОК) кабелям и радиосвязным каналам (РС) )
Среда передачи
НС
НС
ОС
Ток
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.
продолжение
–PAGE_BREAK–