Волоконно-оптична зв’язок
Проходження лазерного променя в оптичному хвилеводі квадратного перетину при ефекті повного внутрішнього відображення
Волоконно-оптична зв'язок - передача інформації від одного місця до іншого, за допомогою імпульсів світла через оптичне волокно. Сигнал частоти представлений у вигляді електромагнітного випромінювання, яке модулюється корисним сигналом для подальшої передачі інформації.
Основною характеристикою волоконно-оптичного зв'язку є повне внутрішньо віддзеркалення електромагнітних хвиль на межі розділу середовищ - з різними показниками заломлення. Оптичне волокно складається з двох головних елементів - серцевини, що є безпосередньо провідником світла - световодом і оболонки. Показник заломлення серцевини більше показника заломлення оболонки, завдяки чому промінь світла багаторазово переотражаясь на кордоні двох середовищ серцевина-оболонка, поширюється в серцевині, не виходячи за її межі.
У 1970-х роках розвиток оптичних волоконних систем комунікації докорінно перетворили телекомунікаційну промисловість і стали грати головну роль в понятті «Століття Інформації». Через переваг оптичних мереж передачі даних перед електричною передачею сигналу, оптичні волокна в значній мірі замінили мідні провідні комунікації в основних мережах. [1]
Основні напрямки [ред]
Процес передачі сигналів за допомогою волоконної оптики складається з:
- Перетворення електричного сигналу в оптичний сигнал передавачем,
- Передача оптичного сигналу через оптичне волокно зі збереженням його характеристик,
- Перетворення оптичного сигналу приймачем в електричний сигнал.
Введення [ред]
Історія [ред]
У 1966 Чарльз К. Као і Джордж Хокхам запропонували оптичні волокна в Лабораторії STC (STL), Harlow. вони показали, що втрати 1000 дБ / км в існуючому склі (в порівнянні з 5-10 дБ / км в коаксіальному кабелі) відбуваються через домішок, які потенційно можуть бути видалені.
Оптичне волокно було описано в 1970, в роботі «гранул-скляні роботи», де повідомлялося про отримання волокна з низьким ослабленням сигналу для використання в засобах зв'язку (20dB / km) і в той же самий час були отримані перші напівпровідникові лазери на основі арсеніду Галія GaAs. Вони були економічними і компактними, і тому ідеально підходили для використання в якості передавачів використовуваних для формування оптичних сигналів, для подальшої передачі по волоконно-оптичним кабелям на довгі відстані.
Друге покоління оптично-волоконного зв'язку отримало розвиток для комерційного використання на початку 1980-их. Це обладнання вже працювало з довжинами хвиль в 1,3 мкм, і використовувало лазери на основі складних четверні напівпровідникових систем InGaAsP. Хоча це обладнання і було спочатку обмежена дисперсією сигналу в волокні, в 1981 був знайдений спосіб для значного поліпшення роботи цього обладнання. До 1987, було створено обладнання дозволяє передавати інформацію на швидкостях до 1.7 Gb / s з відстанню між ретрансляторами до 50 км.
Оптичні волоконно-оптичні системи третього покоління використовують в роботі довжину хвилі 1.55 мкм, мали втрати приблизно 0.2 дв / км. Вони досягли цього не дивлячись на великі труднощі пов'язані з поширенням імпульсу на цій довжині хвилі, при використанні звичайних лазерів на основі напівпровідникової системи InGaAsP. Вчені подолали ці труднощі при використанні волокон зі зміщеною дисперсією, розроблених так, щоб мати мінімальну дисперсію в області спектра 1.55 мкм. обмежуючи спектр пропускання єдиною смугою. Ці досягнення в кінцевому рахунку дозволили системам третього покоління працювати комерційно зі швидкостями 2.5 Gbit / s з відстанями між ретрансляторами понад 100 км.
Основа для розвитку п'ятого покоління оптичних волоконних комунікацій, полягає в розширенні діапазону довжин хвиль, на яких може працювати система WDM. Звичайне вікно пропускання кварцу, відоме як смуга C, покриває тільки діапазон довжин хвиль 1.53-1.57 мкм, нове широкосмугове волокно (без т. Н. Водяного піку поглинання) має більш широке вікно прозорості, що обіцяє розширення діапазону аж до 1.30-1.65 мкм.
Технологія [ред]
Передавачі [ред]
1 625 to тисячі шістсот сімдесят п'ять нм
Це поділ по довжинах хвиль показує, що існуюча технологія дозволила об'єднати друге і третє вікна прозорості кварцу в одне вікно. Спочатку, ці вікна прозорості кварцу були пересічними.
Історично, першим використовуваним діапазоном довжин хвиль був діапазон від 800 нм до 900 нм; проте високі втрати в цьому діапазоні обмежували його використання тлько для зв'язку на короткій відстані. Друге вікно прозорості - знаходиться в області приблизно 1310 нм, і має набагато нижчі втрати. Створено волокна мають в цьому діапазоні нульову дисперсію. Третє вікно прозорості - знаходиться в області 1550 нм і воно найбільш широко використовується в даний час. Ця область має найнижчі втрати ослаблення сигналу і, отже, найбільш підходить для зв'язку на великі відстані. Проте волокна в цій області мають невелику дисперсію і необхідне використання спеціальних "компенсаторів дисперсії" для компенсації спричинених нею втрат.
Регенерація [ред]
У випадках, коли лінія зв'язку повинна охопити відстань більше ніж те, на яке здатна існуюча технологія, сигнал повинен бути відновлений в проміжних пунктах за допомогою ретрансляторів. Ретранслятори додають суттєву вартість в систему зв'язку тому проектувальники систем намагаються мінімізувати їх використання.
Останні досягнення у виробництві оптичних волокон і в технології устаткування, використовуваного для комунікацій зв'язку, істотно зменшили деградацію сигналу в лінії. В даний час регенерація (відновлення) оптичного сигналу в лініях зв'язку необхідно на відстанях, що перевищують кілька сотень кілометрів. Це істотно зменшило вартість організації оптичної мережі, особливо по підводним ділянкам, там де вартість і надійність ретрансляторів - один з ключових чинників, що визначають роботу цілої кабельної системи. Головні досягнення, що вносять свій внесок у ці технології, це можливість управління дисперсією, і застосовуються солітоновие випромінювачі, які використовуючи нелінійні ефекти в волокні, дозволяють передавати сигнал без дисперсії по довгих кабелях, що покриває великі відстані.
Порівняння середовища передачі даних [ред]
Мобільна пересувна лабораторія застосовується при установці оптичних муфт при зрощуванні оптичних кабелів в польових умовах.
Оптична муфта застосовується при зрощуванні оптичних кабелів в польових умовах.
В даний час при виборі середовища передачі сигналів (між оптичним кабелем або мідним кабелем) перевага віддається оптичним кабелям.
Далі йде машинний переклад, потрібно правка!
В облас зв'язку оптичне волокно взагалі вибирається для систем, що вимагають більш високої смуги пропускання або охоплюють більш довгі відстані, ніж електричне телеграфування. Головні вигоди волокна - його виключно низька втрата, що дозволяє покрити довгі відстані між підсилювачами або ретрансляторами; і її невід'ємно висока пропускна здатність даних, таких, що тисячі електричних зв'язків були б зобов'язані замінювати єдиний високопропускаемий кабель з оптичного волокна в можливості пропускання величезної смуги хвиль. Інша вигода волокон та, що навіть коли працюють поруч один з одним на довгих відстанях, волокно ізольовано і за своєю фізики роботи не здатна створювати перешкоди сусіднього кабелю. Волокно може бути встановлено в областях з високим електромагнітним випромінюванням. (Зі сторонам сервісних ліній, що несуть влада ліній, і слідів залізниці). Всі вони діелектричні кабелі у випадках дії блискавки при цьому не порушуючи функціонування.
Для порівняння, в той час як єдина лінія системи кабелів з мідних проводів в межах більш, ніж кількох кілометрів, вимагають діючих ретрансляторів сигналу для задовільної роботи; що вельми зазвичай для оптичних систем пробігтися через 100 кілометрів (60 миль), без активної або пасивної обробки. Кабелі волокна єдиного способу зазвичай доступні в 12-ти кілометрових довжинах, мінімізуючи число з'єднань, необхідні для довгого кабелю, яким керують. Багаторежимна волокно є в довжинах до 4 км, хоча індустріальні стандарти пніменяют з довжиною в 2 км, що дають високі гарантії в безаварійної зв'язку.
На коротких відстанях і відносно низьких вимогах числа смуг пропускання, електрична передача часто надається перевага через:
- Зменшеною матеріальної вартості, де не потрібні великі кількості;
- Низькою вартість передавачів і приймачів;
- Здібності нести електроенергію так само як сигнали (в особливо-розроблених кабелях);
- Невимушеність операційних перетворювачів в способі прокладки ліній;
Оптичні волокна більш трудомісткі і дороги при з'єднаннях. У більш енергоємних оптичних умовах оптичні волокна сприйнятливі до плавких запобіжників волокна, яких небагато і що занадто велика ймовірність з дефіцитом волокна, який може руйнуватися кілька метрів в секунду. Установка руху по колу виявлення запобіжником волокна в передавачі може порушити кругообіг і мінімізувати пошкодження.
Через ці вигод електричної передачі, оптична комунікація не звичайна в короткій коробці-к-коробці, об'єднавчої платі, або заявах чіпа-к-чіпу; однак, оптичні системи в тих випадках порівнянь демонструвалися успішно в лабораторії.
У певних ситуаціях волокно може використовуватися навіть для короткого відстані або низьких заяв смуги пропускання, через інших важливих особливостей:
- Недоторканність до електромагнітного втручанню, включаючи ядерний електромагнітний пульс (хоча волокно може бути пошкоджено альфою і бета радіацією).
- Високого електричного опору, роблячи це закритим, щоб використовувати близьке обладнання високої напруги або між областями з різними земними потенціалами.
- Легкої ваги, наприклад, в літаку.
- Чи не вогненебезпечно або вибухонебезпечне в випадках газової окружаюшей середовища.
- Чи не піддається електромагнітному випромінюванню і трудомістке при виявлення, не подаючи і не сприймаючи сигналів в навколишньому середовищі, володіючи високою безпекою.
- Набагато менший розмір кабелю, де обмежена зона прокладання ввипадках організації мережі зв'язку існуючої будівлі, де можна свердлити менші канали та може бути використано в існуючих кабельних трубочках і тацях.
Оптичні кабельні волокна можуть бути встановлені в будинках з тим же самим обладнанням, яке використовується, щоб встановити мідні і коаксіальні кабелі, з деякими модифікаціями через невеликого розміру і обмеженою напруженості напруги і радіуса вигину оптичних кабелів. Оптичні кабелі можуть типово встановлюватися в системах труб в проміжках 6000 метрів або більше в залежності від умови трубопроводу і інсталяційні системи. Довші кабелі можуть бути намотані в проміжному пункті і тягнутися далі в системі трубопроводу в міру необхідності.