Волоконно-оптические системы связи и оптические сети

Представляют собой состоящие из активных и пассивных элементов системы волоконно-оптического типа, предназначенные для передачи данных в ближнем инфракрасном (оптическом) диапазоне. Несущей средой подобных систем выступает кварцевое стекло.

Волоконно-оптическая связь базируется на явлении внутреннего полного отражения электромагнитных волн, находящихся на границе, которая разделяет диэлектрики и различные показатели преломления.

Оптоволокно состоит из сердцевины (непосредственного световода) и оболочки. Коэффициент преломления сердцевины превышает таковой у оболочки. Благодаря этому световой луч, многократно переотражаясь на границе оболочка-сердцевина, распространяется внутри сердцевины, не выходя за ее пределы.

Применяемые для построения ВОЛС оптические волокна классифицируются следующим образом:

● Стеклянные (сердцевина, оболочка выполнены из стекла, обладают наибольшей пропускной способностью);

● Пластиковые (сердцевина, оболочка изготовлены из пластика);

● Комбинированные (стеклянная сердцевина, пластиковая оболочка).

● Одномодовые (SM) — имеют малый диаметр сердцевины, пропускающий только один пучок света. Одномодовые волокна отличаются большей производительностью, однако данная технология более тонкая, дорогая;

● Многомодовые (MM) — сердцевина таких волокон отличается большим диаметром, а профиль может быть ступенчатым или градиентным. В первом случае моды (пучки света) расходятся по разным траекториям, поэтому доходят до конца световода в различные временные промежутки. Градиентный профиль предполагает практически полное отсутствие задержек по времени у различных лучей. Благодаря этому моды движутся плавно, что достигается изменением скорости распределения света по волнообразным спиралям.

Кабели ВОЛС делятся на:

● Уличные (используются при организации подсистемы, объединяющей отдельные объекты);

● Для помещений (прокладываются внутри объектов, строений);

● Для шнуров (необходимы во время горизонтальной разводки кабелей до места их применения, а также при изготовлении коммутационных или соединительных шнуров).

В зависимости от условий эксплуатации кабели бывают:

● Магистральные (передают сигнал на большие расстояния от главной точки);

● Монтажные (используются для передачи электроэнергии в пределах одного прибора при прокладке электросетей);

● Станционные (с их помощью обеспечивается внутренняя прокладка, подключение различных видов станционного оборудования);

● Зоновые (организуют многополосные линии, например, между центром и отдаленными районами).

Линии связи, относящиеся к волоконно-оптическому типу (ВОЛС) — система трансляции данных через оптоволокно с сердечником, выполненным из стекла или пластика, покрытым снаружи оптической оболочкой. Последняя отражает свет от краев внутренней составляющей и направляет его к центру. Трансляция сигнала происходит посредством электронного импульса, который преобразуется в пучок света через волоконно-оптические модемы.

ВОЛС имеют отличительные особенности, которые позволяют считать подобные линии связи совершенной физической средой для передачи данных и трансляции больших информационных потоков на значительные расстояния.

К физическим особенностям ВОЛС относятся:

1. Широкополосность оптических сигналов, которую обеспечивает сверхвысокая частота несущей (Fo=10**14 герц). Это означает, что по одному волокну можно передать несколько миллионов голосовых сообщений и видеосигналов одновременно. Скорость трансляции может быть увеличена за счет передачи данных сразу в двух направлениях, поскольку распространение световых волн может происходить независимо друг от друга в одном волокне. Также в нем могут распространяться световые сигналы, имеющие две разные поляризации, что удваивает пропускную способность канала;

2. Минимальное затухание светового сигнала внутри волокна (по сравнению с другими средами), что позволяет создавать линии связи, длина которых составляет 100 километров, без регенерации сигналов.

ВОЛС обладают следующими техническими особенностями:

1. Оптоволокно выполнено из кварца, основой которого выступает распространенный, экономически выгодный материал — двуокись кремния;

2. Подобные волокна отличаются компактностью, легкостью (имеют диаметр около 100 мкм), что создает перспективу для применения их в авиации, корабельной технике, приборостроении;

3. Поскольку стеклянные волокна — не металл, при организации систем связи гальваническая развязка сегментов достигается автоматически, что обеспечивает электробезопасность;

4. Созданные на основе оптических волокон системы устойчивы к влиянию электромагнитных помех, защищают данные от несанкционированного доступа.

ВОЛС состоит из нескольких взаимосвязанных компонентов:

Активными элементами выступают:

● Регенератор

Прибор, восстанавливающий форму оптического импульса, так как последний, распространяясь по волокну, искажается. Регенераторы могут быть оптическими или электрическими, которые превращают оптический сигнал в электрический, затем восстанавливают его с дальнейшим повторным преобразованием в оптический.

● Усилитель

Увеличивает мощность сигнала. Как и регенератор, устройство может быть оптическим, а также электрическим, преобразовывать сигнал по электронно-оптическому или оптико-электронному типу.

● Лазер

Источник когерентного монохромного оптического излучения. Для систем, имеющих прямую модуляцию (более распространенных), лазер выступает модулятором, выполняющим превращение сигнала электрического типа в оптический.

● Модулятор

Прибор, производящий модуляцию оптической волны, несущей данные по закону электрического сигнала.

● Фотодиод (фотоприемник)

Прибор, выполняющий оптоэлектронное преобразование сигнала.

К пассивным элементам относятся:

● Волоконно-оптический кабель

Наружная оболочка кабеля может быть выполнена из поливинилхлорида, полипропилена, полиэтилена, тефлона или других различных материалов, быть бронированной или оснащенной специфическими слоями, обеспечивающими дополнительную защиту.

● Муфта

Конструкция, соединяющая два и более оптических кабеля.

● Кросс

Устройство, оконечивающее оптический кабель, подключающее к нему активную аппаратуру.

● Мультиплексор / Демультиплексор

Объединяет / разделяет информационные каналы, может работать во временной и частотной областях, бывает оптическим (для спектрально управляемых систем), а также электрическим.

Такие линии связи обладают рядом достоинств:

Обеспечивает трансляцию информации на значительные расстояния без дополнительного подключения усилителей.

Благодаря высокой несущей частоте оптические волокна передают данные с большой скоростью, которую не способны обеспечить другие системы связи (несколько террабит/сек).

Оптоволокно устойчиво к слабому электромагнитному воздействию, не окисляется, не мокнет.

Трансляция данных по оптоволокну осуществляется «из точки в точку», поэтому перехватить ее можно только посредством физического вмешательства в передающий канал.

Излучение, возникающее в одном волокне, не влияет на сигнал в соседнем. Уровень экранирования излучения составляет более 100 дБ.

Благодаря отсутствию искрообразования, ВОЛС может без ограничений использоваться на предприятиях повышенной опасности.

Оптоволокно дешевле медного кабеля, а также не требует установки большого количества ретрансляторов.

Длительность бесперебойного функционирования ВОЛС составляет около 25 лет.

Оптический кабель будет весить в 4 раза меньше медного при одной и той же пропускной способности. Объем «оптики» также будет меньше даже с использованием защитных оболочек.

Эксплуатация ВОЛС обеспечивает быстрое совершенствование вычислительных возможностей локальных сетей, благодаря использованию инновационного быстродействующего активного оборудования без замены коммуникаций.

Подобные линии связи имеют несколько недостатков:

Поломка или замутнение волокон из-за возникновения микротрещин возможны при сильном изгибании кабеля. Поэтому во время прокладки кабеля должны быть соблюдены рекомендации производителя (минимальный радиус изгиба и т. д.)

Производство оптоволокна, а также компонентов ВОЛС — трудоемкий процесс, требующий высокой квалификации, мастерства специалиста.

Аппаратура кажется дорогостоящей в абсолютных цифрах, но при этом соотношение цена-качество превосходит другие системы.

Разрывы оптоволокна непросто устранить из-за его хрупкости.

Процесс передачи данных по ВОЛС осуществляется следующим образом: зашифрованная методом двоичного кодирования информация передается на лазерный излучатель — источник света, который интерпретирует код («да» или единица — вспышка света, «нет» или ноль — отсутствие света). Далее передающее устройство посылает серию зашифрованных двоичным кодом импульсов по оптоволоконному каналу к конечной точке (приемнику). Последний расшифровывает входящий сигнал и доводит информацию до пользователя. При необходимости к линии подключаются ретрансляторы, дополнительная аппаратура.

Трудоемкий процесс, требующий соблюдения целого ряда особенностей, осуществляется в несколько этапов:

● Определение технической возможности установки;

● Подбор вида кабеля, определение его длины;

● Произведение расчетов, направленных на выявление коэффициента затухания сигнала, других показателей;

● Выбор аппаратуры для обеспечения бесперебойного функционирования сети, а также соответствия разработанным для передачи данных стандартам;

● Проектирование, прокладка трассы (выбор способа зависит от климатической зоны, атмосферных условий);

● Подготовка технической документации (скелетной схемы), где отражается число точек подключения, общая трассировка, различные разветвления;

● Составление перечня аппаратных, технических средств, задействованных в разработке линии связи (терминалы, муфты, усилители и т. д.);

● Согласование проекта, проведение монтажных работ.

Монтаж ВОЛС производится двумя методами:

● Навесным (прокладка кабеля производится по воздуху на новых либо уже существующих технических опорах);

● Подземным (требует предварительного проведения специальных земельных работ).

Соединение кабеля может быть:

● Разъемным (при помощи коннекторов оптического типа)

Работы не требуют применения специального оборудования, производятся быстро, однако этот способ характеризуется высокой стоимостью, приводит к увеличению сигнальных потерь при использовании множества соединительных элементов.

● Неразъемным

Представлен несколькими вариантами, среди которых — сварка и склеивание ВОЛС, что требует специальной аппаратуры, практических навыков. Достоинством такого соединения выступает монолитное соединение кабелей, обеспечивающее практически полное отсутствие потерь скорости трансляции.

Диагностика ВОЛС проводится с помощью специализированного прибора — рефлектометра, принцип работы которого основан на анализе излучаемых в оптоволокно отраженных импульсов. Измерения базируются на отражении света от скачков показателя преломления, а также явлении обратного рассеивания света внутри волокна.

Через направленный ответвитель оптический импульс попадает на волокно, распределяется по нему, а затем ослабляется пропорционально коэффициенту затухания. Небольшая часть оптической мощности рассеивается, что обеспечивает попадание обратно рассеянного излучения на фотодетектор через направленный ответвитель. Излучение превращается в электрический сигнал, подвергается усилению, проходит обработку и выводится на дисплей.

Измерения посредством рефлектометра осуществляются на длине световой волны, равной 1.31 или 1.55 мкм. Итоговые характеристики формируют рефлектограмму, анализ которой позволяет вычислить длину ВОЛС, затухание сигнала, расстояние до мест, где определяется неоднородность волокна.

ВОЛС находят широкое применение в сфере телекоммуникаций, IT, авиации, судоходстве, системах, осуществляющих передачу данных на большие расстояния.