Волоконно-оптичні лінії зв’язку 1

Волоконно-оптичні лінії зв'язку (ВОЛЗ) представляють собою системи для передачі світлових сигналів мікрохвильового діапазону хвиль. Цей вид ліній зв'язку розглядається як найбільш перспективний. Перевагами ВОЛЗ є низькі втрати, велика пропускна здатність, малі маса і габаритні розміри, економія кольорових металів, висока ступінь захищеності від зовнішніх і взаємних перешкод.

Волоконно-оптичні лінії передачі даних складаються з трьох основних компонентів: джерела світла, носія, через який поширюється світловий сигнал, і приймача сигналу.

Основним елементом оптичних кабелів є оптичне волокно (світловод), виконане у вигляді тонкого скляного волокна циліндричної форми, по якому передаються світлові сигнали.

Оптичне волокно має двошарову конструкцію і складається з серцевини і оболонки з різними показниками заломлення n1 і n2 відповідно. Серцевина служить для передачі електромагнітної енергії. Призначення оболонки - створення умов повного відображення на кордоні «серцевина-оболонка» і захист від світлових перешкод з навколишнього простору.

Принцип дії волоконного світловода заснований на використанні процесів відображення і заломлення оптичної хвилі на межі розділу двох середовищ з різними оптичними властивостями (показниками заломлення).

При падінні променя на межу розділу двох середовищ в загальному випадку з'являються заломлена і відбита хвилі. кут падіння # 966; п завжди дорівнює куту відбиття # 966; отр. кут заломлення # 966; пр пов'язаний з кутом падіння наступним співвідношенням:

де n1 і n2 показники заломлення двох середовищ.

У разі якщо n1> n2. то з формули випливає, що # 966; пр> # 966; п (рис. 1.1). При збільшенні кута падіння на кордон двох середовищ з боку більш щільною, можна досягти стану, коли заломлений промінь буде ковзати по межі поділу середовищ без переходу в оптично менш щільне середовище.

Кут падіння, при якому спостерігається такий ефект, називається граничним кутом повного внутрішнього відображення. Для всіх кутів падіння, які перевищують граничний, промінь не вийде за кордон розділу двох середовищ. Це явище називається повним внутрішнім віддзеркаленням, воно і належить в основу передачі оптичного випромінювання по световоду.

Серцевина волокна, як правило, складається з кварцу, а оболонка може бути кварцова або полімерна. Перше волокно називається кварц-кварц, а друге кварц-полімер (кремній-органічний компаунд). Виходячи з фізико-оптичних характеристик перевага віддається першому варіанту. Кварцові скло має показник заломлення 1.46.

Зовні світловода розташовується захисне покриття для запобігання його від механічних впливів.

Розрізняють одномодові (середній малюнок) і багатомодові (верхній і нижній малюнок) оптичні волокна (рис.1.2) [1]. Поняття "мода" описує режим поширення світлових променів у внутрішньому сердечнику кабелю.

Одномодовое оптоволокно має діаметр серцевини a

5 ... 10 мкм. При цьому практично всі промені світла поширюються уздовж оптичної осі світловода, не відбиваючись від зовнішнього провідника. Смуга пропускання такого кабелю становить до сотень гігагерц на кілометр. Технологічний процес його виготовлення складний, що робить його досить дорогим. Крім того, в волокно такого маленького діаметру складно направити пучок світла без втрат енергії. Зі збільшенням діаметра серцевини оптоволокна з'являється багато можливих шляхів (мод) поширення випромінювання.

У багатомодових кабелях використовуються внутрішні сердечники більшого діаметру, які легше виготовити технологічно. У стандартах визначені два найбільш уживаних багатомодових кабелю: 62.5 / 125 мкм і 50/125 мкм, де 125 мкм - діаметр зовнішнього провідника. У багатомодових кабелях у внутрішньому провіднику одночасно існує кілька світлових променів, що відбиваються від зовнішнього провідника під різними кутами. Кут відображення називають модою променя. У багатомодових кабелях з плавним зміною коефіцієнта заломлення режим розподілу кожної моди має складний характер. Багатомодові кабелі мають більш вузьку смугу пропускання - від 500 до 800 МГц / км. Звуження смуги відбувається через втрати світлової енергії при відображеннях, а також з-за інтерференції променів різних мод.

У свою чергу, багатомодові волокна виконуються східчастими і градієнтними. У східчастих світловодів показник заломлення серцевини постійний, і є різкий стрибок оптичної щільності на кордоні розділу серцевина - оболонка. У градієнтних світловодів показник заломлення серцевини плавно зменшується від центру до периферії і різні промені поширюються в них по хвилеподібним траєкторіях.

Пропускна здатність оптоволоконних ліній зв'язку. При передачі інформації по оптоволоконної лінії зв'язку сигнал, як правило, перетворюється з електричного в оптичний, потім передається по оптоволокну у вигляді світла і в кінці лінії зв'язку знову перетвориться в електричний сигнал. Сьогоднішній межа пропускної здатності в 10 Гбіт / с обумовлений неможливістю перетворення електричних сигналів в оптичні і назад.

Оптичне волокно виготовляється зі скла, яке, в свою чергу, виробляється з піску - недорогого матеріалу, доступного в необмежених кількостях.

Ослаблення сили світла при проходженні через скло залежить від довжини хвилі. У телекомунікаційних системах використовуються три діапазону довжин хвиль: 0.85, 1.30, 1.55 мкм. Останні два мають гарні характеристики ослаблення (менше 5% втрат на кілометр). Діапазон 0.85 мкм має вищий ослабленням, але для цієї довжини хвилі джерела світла (лазери) і електроніка можуть бути зроблені з одного матеріалу (арсеніду галію).

Смуга пропускання або пропускна здатність оптоволоконної лінії зв'язку залежить від багатьох факторів. В основному це:

• смуга пропускання (тривалість фронту / зрізу світлового імпульсу) електронно-оптичного перетворювача на вході лінії;

• довжина хвилі і ширина спектральної лінії оптичного випромінювача;

• тип і властивості застосовуваного оптичного волокна;

• смуга пропускання опто-електронного перетворювача на виході лінії.

В якості перетворювачів електричного сигналу в оптичний в даний час використовують світлодіоди і лазерні діоди.

Час наростання-спаду світлового випромінювання становить у світлодіодів 1 ... 20 нс, а у лазерних діодів - 0.5 ... 2 нс.

Більш істотні відмінності в спектральних характеристиках випромінювачів. Ширина спектра: рис. 3.1, а - у світлодіода за рівнем 0.5 становить 30 ... 50 нм; б - у лазерних діодів 0.1. 2 нм; в - у одномодового лазера 0.1 ... 0.4 нм.

Основним чинником, що обмежує пропускну здатність опто- волокна, при великих довжинах ліній є дисперсія.

Дисперсія - це розсіювання в часі спектральних і модових складових оптичного сигналу при розповсюдженні його по оптоволокну. Це призводить до того, що при поширенні по лінії зв'язку енергія сигналу розмивається за часом. Тривалість сигналу збільшується, а амплітуда падає.

«Межмодовой» складова дисперсії пояснюється тим, що надходить в лінію світловий сигнал поширюється по волокну різними шляхами (модами) і час поширення його по цих шляхах різному (рис. 1.4).

Типові значення межмодовой дисперсії становлять для ступеневої оптоволокна 30 ... 50 нс / км, а для градієнтного волокна 2 ... 4 нс / км.

У одномодовом оптоволокне існує тільки одна мода поширення сигналу, і модовая складова дисперсії відсутня. Природно, що зі збільшенням довжини лінії зв'язку дисперсія збільшується.

Спектральна складова дисперсії обумовлена ​​залежністю коефіцієнта заломлення серцевини від довжини хвилі випромінювання, точніше від ширини спектра випромінювання. Зі зменшенням ширини спектральної лінії випромінювання зменшується і спектральна складова дисперсії. Дисперсія призводить до розширення тривалості імпульсів при проходженні по оптоволокну (аж до перекриття) і зменшення смуги пропускання лінії. За частотно-пропускної спроможності і дальності передачі кращими є одномодові світловоди, а гіршими - багатомодові ступінчасті.

Реальні значення смуги пропускання оптоволоконних ліній зв'язку на одномодовом волокні складають

4000 МГц / км. Т. е. Лінія зв'язку довжиною 100 км матиме смугу пропускання

Смуга пропускання ліній на многомодовом градиентном волокні має значення близько 500 ... 1500 МГц / км.

Вартість одномодових ліній і компонентів значно перевищує номінальну вартість багатомодових ліній зв'язку.

Електричні лінії зв'язку

Одним перших і до сих пір часто застосовуваних кабелів є кручена пара. Складається з двох скручених ізольованих мідних проводів. Скручування дозволяє зменшити електромагнітне взаємодія декількох розташованих поруч кручених пар.

Коаксіальний кабель має несиметричну конструкцію і складається з внутрішньої мідної жили і обплетення. Він краще екранований, ніж кручена пара, і може забезпечити передачу даних на більш далекі відстані з більш високими швидкостями. Сучасні кабелі мають смугу пропускання близько 1 ГГц.

Коаксіальні кабелі з хвильовим опором 50 Ом описані в стандарті EIA / TIA-568:

«Товстий» коаксіальний кабель RG-8 і RG-11 має хвильовий опір 50 Ом і зовнішній діаметр 0.5 дюйма; внутрішній провідник діаметром 2.17 мм забезпечує хороші механічні та електричні характеристики.

«Тонкий» коаксіальний кабель (RG-58 / U, RG-58 A / U і RG-58 C / U) має внутрішній провідник діаметром 0.89 мм, що збільшує його гнучкість і спрощує монтаж. Загасання в кабелях цього типу вище, ніж в «товстому», тому доводиться зменшувати довжину кабелю для отримання однакового загасання в сегменті.

Телевізійний кабель RG-59 з хвильовим опором 75 Ом широко застосовується в кабельному телебаченні.