Оптоволоконная связь

Версия для печати

Теория оптического волокна

В основе оптоволоконных технологий лежит принцип использования света как основного источника информации. Отправитель преобразовывает информацию в световую волну, а адресат, получая последнюю, в свою очередь интепретирует свет как информацию.
Свет гораздо проще передать на дальние расстояние с меньшими потерями нежели электрический ток. Кроме того, он не подвержен воздействию электромагнитных полей и способен передавать на порядки большее количество информации. С другой стороны, оптические технологии во многом являются более тонкими, поэтому качественная реализация оптоволоконного проекта требует детального понимания механизма передачи света и применяемых законов оптики.

 

Закон оптики

Породить световую волну довольно просто, но не так-то просто ее сохранить и управлять ею. Однако это возможно, если использовать оптические законы распространения света. В оптоволоконных технологиях используется волновая теория света. То есть свет рассматривается как электромагнитная волна определенной длины. Для ее транспортировки используются изолированные оптически прозрачные среды. В однородной среде электромагнитная волна распространяется прямолинейно, однако на границе изменения плотности среды ее направление и качественный состав меняются. В упрощенном варианте рассмотрим две граничащие среды с разной плотностью. Распространяясь в одной из них луч может достигать поверхности другой под некоторым углом a (к нормали поверхности). При этом волна частично отражается в среду, из которой пришла под углом b, и частично проникает в новую среду в измененном направлении под углом c.
Согласно физическим законам распространения света угол падения луча равен углу отражения, т.е. a=b. Также если обозначить величину плотности сред как n1 и n2, то угол преломления c, находится из соотношения n1*sin a = n2*sin c (1). Эффект преломления света может отсутствовать, т.е. возможна ситуация полного отражения света. Для этого достаточно, чтобы угол c был хотя бы нулевым. Трансформируя выражение (1) получаем достаточное условие полного отражения света: sin a = n2/n1. Именно за счет данного эффекта в современных оптоволоконных технологиях удается управлять распространением света в требуемой среде.

 

Принцип оптического волокна

Для того, чтобы передать свет на большие расстояния необходимо сохранить его мощность. Снизить потери при его передаче можно, во-первых, обеспечив достаточно оптически прозрачную среду распространения, тем самым сведя к минимуму поглощение волны, и, во-вторых, обеспечив правильную траекторию движения луча. Первая задача в настоящее время решается с помощью применения высокотехнологичных материалов, таких как чистое кварцевое стекло. Вторая задача решается с помощью закона оптики, описанного выше. За счет эффекта полного отражения света, можно заставить луч "гулять" внутри ограниченной замкнутой среды, проделывая путь от источника сигнала до его приемника. Однако для этого необходимо две среды с разной плотностью. Чаще всего в их качестве применяются кварцевые стекла различной плотности. Волну впускают в более плотную среду, ограниченную менее плотной. Среды вытягивают в так называемое оптическое волокно, сердцевину которого составляет более плотное стекло, в разрезе представляющее окружность и часто называемого световодом. Данный сердечник покрывают оболочкой из менее плотного стекла, при достижении которого транспортируемый сигнал будет полностью отражаться. Для предотвращения механических повреждений конструкция также снабжается защитной оболочкой, именуемой первичным покрытием.
Для достижения сигналом адресата, необходимо впускать в сердцевину лучи под углом к боковой поверхности не менее критического. В этом случае реализуется эффект полного отражения, и теоретически луч никогда не покинет сердечника кроме как через окончание волокна. Однако на практике все же существует некоторый процент преломляемых лучей. Это связанно во-первых со сложностью реализации подобного источника света, во-вторых с невозможностью изготовления идеально ровного волокна, и в-третьих с неидеальной инсталяцией оптического кабеля.

 

Межмодовая дисперсия

Поскольку источники излучения не идеальны, испускаемые ими волны не совсем идентичны и могут различаться по направлению распространения. Единичная независимая траектория распространения волны именуется модой. Очевидно, что луч, направленный параллельно оси световода проходит меньшее расстояние, нежели луч распространяющийся по траектории ломаной за счет эффекта отражения. Как следствие, лучи достигнут конца сердечника в разные моменты времени.

При учете неидеальных свойств применяемых источников светового сигнала возможна ситуация, когда изначальный световой импульс содержит некоторое множество волн, входящих в световод под разными углами. В итоге импульс раскладывается на множество отдельных волн, достигающих приемник в разные моменты. Именно этот разброс времени и называется межмодовой дисперсией.

 

Межчастотная дисперсия

Погрешность источников излучения еще состоит и в некотором разбросе генерируемых частот. Испускаемые волны не совсем идентичны и могут различаться по длине. Согласно законам физики более короткие волны распространяются быстрее, а следовательно волны достигают конца световода в разные моменты времени.

При учете неидеальных свойств применяемых источников светового сигнала возможна ситуация, когда изначальный световой импульс содержит некоторое множество входящих в световод волн с разной частотой. В итоге импульс раскладывается на множество отдельных волн, достигающих приемник в разное время. Именно этот разброс времени и называется межчастотной дисперсией.

 

Материальная дисперсия

Скорость преодоления расстояний волной зависит не только от частоты, но и от плотности среды распространения. В применяемых в настоящее время световодах распределение плотности сердечника может быть неравномерным, как в случае с градиентными волокнами (об этом позже). Вследствие этого волны, проходящие путь по разным траекториям обладают разными скоростями распространения и оказываются в приемнике в разное время.

При учете неидеальных свойств применяемых источников светового сигнала возможна ситуация, когда изначальный световой импульс содержит некоторое множество волн, проходящих световод по разным траекториям, каждая из которых пересекает участки среды с разными плотностями. В итоге импульс раскладывается на множество отдельных волн, достигающих приемник в разное время. Именно этот разброс времени и называется материальной дисперсией.

 

Влияние дисперсии на пропускную способность канала

Дисперсия, будь то материальная, межчастотная или межмодовая, отрицательно влияет на пропускную способность канала. Дело в том, что современные оптоволоконные технологии используют цифровой способ передачи информации. Световой сигнал поступает импульсами. Чем сильнее размыт по времени импульс на выходе (эффект дисперсии), тем большие требуются интервалы между передаваемым сигналами, что и ограничивает в свою очередь пропускную способность канала. Поэтому необходимо снижать величины дисперсий, тем самым увеличивая возможное количество информационных сигналов за единицу времени. Вообще из-за эффекта дисперсии необходимо пытаться сократить количество проникающих одновременно мод (лучей) в световод.

 

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.

 

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.

 

Затухание сигнала, окна прозрачности

Кроме сложностей, связанных с уменьшением дисперсии волны, существует и проблема сохранения мощности передаваемого сигнала. Хотя световую волну сохранить легче, чем электрический ток, она испытывает эффект поглощения и рассеивания. Первый связан с преобразованием одного вида энергии в другой. Так волна определенной длины порождает в некоторых химических элементах изменение орбит электронов, в других происходит резонанс. Это в свою очередь и порождает преобразование энергии. Известно, что поглощение волны тем меньше, чем меньше ее длина. В связи с этим применять чрезмерно длинные волны невозможно, так как резко возрастают потери при нагреве световодов. Однако с другой стороны безгранично снижать длины волн тоже нецелесообразно, так как в этом случае возрастают потери на рассеивании сигнала. Именно баланс рассеивания и поглощения волны определяет диапазон применяемых волн в оптоволоконных технологиях.

Теоретически лучшие показатели достигаются на пересечении кривых поглощения и рассеивания. На практике зависимость затухания несколько сложнее и связана с химическим составом среды, в которой распространяется волна. В световодах основными химическими элементами являются кремний и кислород, каждый из которых проявляет активность на определенной частоте волны, с чем связано ухудшение теоретической прозрачности материала световода в двух окрестностях. В итоге образуются три окна в диапазоне длин волн. В рамках этих окон затухание волны имеет наименьшее значение. Сам параметр оптических потерь измеряется в децибелах на километр.

 

Используемые длины волн

Именно "окна прозрачности" определили длины волн, которые используются в современных оптоволоконных технологиях. Чаще всего это три длины - 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Наиболее качественной и высокоскоростной связью обладают каналы на основе волн длиной 1500 нм. Однако оконечное оборудование, способное работать на данной длине волны значительно дороже и предполагает применение только лазерных источников света. Поэтому зачастую возникает проблема оценки экономической целесообразности применения подобных сетей.
Рабочая длина волны 850 нм наиболее характерна для многомодовых волокон, тогда как одномодовые волокна применяются для волн длиной на 1500 нм.

 

Преимущества:

  • их пропускные способности на порядки выше, чем у информационных линий на основе медного кабеля; 
  • оптоволокно невосприимчиво к электромагнитным полям, что снимает некоторые типичные проблемы медных систем связи;
  • оптические сети способны передавать сигнал на большие расстояния с меньшими потерями;
  • цены на оптические компоненты снижаются, в то время как медные линий требуют все больших материальных вложений;
  • легкость выполнения работ по прокладке, сращиванию и конфекционированию;
  • низкие потери;
  • длительный срок службы.
     

Недостатки:

  • относительная хрупкость (невозможность сгиба оптического кабеля под прямым углом);
  • трудность обнаружения места излома;
  • необходимость использования специального оборудования для полировки концов кабеля;
  • сравнительно высокая стоимость.