Архивы: по дате | по разделам | по авторам

Световоды

Архив
автор : Сергей Баричев   02.02.1998

Введение

Идея использовать свет для передачи информации стара как мир. Преимущества этого способа были очевидны даже нашим предкам. Еще в Древней Руси цепь сигнальных костров использовали для того, чтобы предупредить о приближении неприятеля. Но прошло несколько веков, прежде чем были открыты фундаментальные законы оптики. И еще не один век понадобился, чтобы, пользуясь этими законами, создать оптоволоконную технологию.

Хотя уже во второй половине девятнадцатого века Джон Тиндалл продемонстрировал возможность направленного распространения света по водяной струе, а в двадцатых годах нашего столетия были созданы первые твердотельные световоды, по которым уже передавали изображение, настоящий скачок оптоволоконная технология получила в 50-60-х годах, когда был изобретен лазер, а технологи научились создавать тонкие, прочные и гибкие стеклянные нити.

Сегодня новейшей технологии передачи информации осталось сделать всего лишь один шаг, чтобы прийти на рабочие места и в домашний быт. Поэтому цель данной статьи в том, чтобы дать читателю преставление о физических принципах, лежащих в основе оптоволоконных технологий, и успехах, достигнутых в этой области.

Что может дать оптоволокно?

Оптоволоконная технология существенно выделяется среди других способов передачи информации рядом преимуществ.

Главным преимуществом является колоссальная пропускная способность оптоволоконных линий связи. Гигабитный Ethernet только появляется, а локальные оптоволоконные сети уже сейчас могут работать на больших скоростях. Следует также учесть, что в традиционных кабельных линиях связи увеличение скорости передачи данных (зависящей от рабочей частоты) приводит к увеличению потерь. Одномодовые оптоволоконные линии свободны от этой досадной закономерности.

Другими, не менее важными достоинствами оптоволоконных линий связи являются:

  • устойчивость к электромагнитным воздействиям;
  • отсутствие излучения у оптоволоконного кабеля;
  • привлекательные массово-габаритные параметры;
  • защищенность от несанкционированного доступа.

Все эти преимущества вытекают из физических принципов, на которых построена оптоволоконная технология. В то же время многие проблемы, с которыми сегодня приходится сталкиваться специалистам, также имеют корни в загадочной, но поддающейся исследованию природе света. О ней мы и поговорим.

Азбука

Коротко - о главных законах оптики, лежащих в основе оптоволоконной технологии. Известно, что в разных средах луч света распространяется с разной скоростью: в стекле - быстро, в воздухе - быстрее, в вакууме - быстрее всего. Попадая на границу двух прозрачных сред, луч света частично отражается, частично преломляется. Угол отраженного луча равен углу падающего, а угол преломленного луча зависит от соотношения показателей преломления сред (отметим, что все углы измеряются от нормали к поверхности). Согласно закону Снеллиуса, открытому еще в 17 веке, произведения синуса угла падающего и преломленного луча на соответствующие показатели преломления сред равны.

Поставим теперь условие, чтобы преломленный луч не проникал во вторую среду, а двигался вдоль границы раздела. Так как при этом g=900, то нетрудно вычислить так называемый критический угол:

sin aкр=n2/n1

Эта формула объясняет "эффект полного отражения", на котором основана вся оптоволоконная технология. Эффект состоит в том, что луч, попавший на границу двух сред (первая из которых должна иметь больший показатель преломления, чем вторая), под углом, большим критического, полностью отражается.

Если же луч не просто попадает на границу двух сред, а проходит в цилиндрическом световоде (оптоволокне) между параллельными стенками, то при угле входа больше критического, он "навсегда" останется в световоде.

Таким образом, чтобы передавать информацию с помощью волоконно-оптической линии связи (ВОЛС), она должна иметь очевидную структуру и состоять из:

  • передатчика - источника светового сигнала;
  • приемника - светочувствительного элемента;
  • среды распространения - оптоволокна.


Наибольший интерес вызывает главный элемент ВОЛС - оптическое волокно. Его мы рассмотрим наиболее подробно.

Оптическое волокно

Современное оптическое волокно состоит как минимум из двух компонентов: сердцевины (core) и оболочки (cladding). Снаружи волокно покрывается защитным покрытием. В ВОЛС используют оптоволоконные кабели, которые состоят из десятков и сотен волокон.

 

Оптоволоконный кабель и поперечное сечение оптического волокна



И сердцевина, и оболочка изготавливаются из стекла или пластика. Наиболее часто (вследствие лучших характеристик) используется оптоволокно типа "стекло-стекло", когда сердцевина и оболочка изготавливаются из особого кварцевого стекла. Понятно, что стекло, используемое для оболочки, должно иметь меньший показатель преломления, чем для сердцевины. На практике показатель преломления стекла регулируется с помощью легирующих добавок. В оптических волокнах показатели преломления сердцевины и оболочки различаются на величину порядка 1% .

Величина NA=sin jкр, (где jкр=900-aкр, т. е. критический угол, измеряемый относительно оси световода) - одна из главных характеристик оптоволокна, называемая числовой апертурой (NA, numeric aperture). Приведенную формулу апертуры удобно привести к другому виду:

NA=(2n Dn)1/2,

где n - среднее арифметическое показателей преломления оболочки и сердцевины, а n - их разность.

Какая должна быть апертура - большая или малая? Если на входе световода мы имеем изотропный источник, то есть излучающий равную мощность во всех направлениях и при этом имеющий диаметр, меньший, чем диаметр световода, то доля мощности источника а, вводимой в световод, будет пропорциональна квадрату апертуры:

а=(NA)2

Значит, чем больше апертура, тем большая доля излучения источника попадает в световод и тем мощнее сигнал. На практике апертуру можно увеличить за счет параметра Dn, используя, например, стеклянную сердцевину без оболочки (то есть с оболочкой из воздуха). Но при этом возникают две проблемы. Во-первых, при полном внутреннемотражении часть световой волны проникает сквозь отражающую поверхность. Вторая проблема связана с возникновением мод, о чем стоит поговорить отдельно.


Основные виды оптического волокна

Рассмотрим, как световой сигнал распространяется в световоде. Из-за многократного отражения луча от стенок световода, световой импульс, пройдя по оптоволокну, трансформируется в серию мод. То есть, в конечную точку могут прийти лучи, которые вошли в световод в один и тот же момент времени, но под разным углом. Как следствие эти лучи (моды) проходят разные расстояния и "прибывают в пункт назначения" не одновременно. Это явление получило название межмодовой дисперсии. Чем больше длина оптоволокна, тем больше будет разброс по времени прибытия, тем меньше будет полоса пропускания.

Поэтому проблему борьбы с межмодовой дисперсией необходимо решать. В зависимости от способа ее решения все оптические волокна можно разделить на три вида.

 

В приближении геометрической оптики точечный излучатель у одного из торцов оптоволокна может быть трансформирован в решетку синфазных излучателей, находящихся друг от друга на расстоянии, равном диаметру оптоволокна (здесь вполне уместной представляется аналогия с калейдоскопом - игрушкой, знакомой с детства практически всем). Диаграмма направленности каждого из излучателей ограничена углами полного внутреннего отражения, и, в зависимости от расстояния между ними (или диаметра оптоволокна), набег разности фаз между излучателями может быть достигнут только в одном направлении (случай одномодового волокна) или сразу в нескольких (многомодовое волокно). В указанных направлениях излучения от излучателей будут складываться синфазно, образуя распространяющиеся волны или, иначе говоря, моды. Ясно, что для того, чтобы достичь другого торца волновода, разным модам придется пройти разное расстояние.

Существование мод в волноводе принято еще сравнивать с квантованием энергетических уровней в квантовых ямах. - Г.Б.




Многомодовое ступенчатое волокно

В этом случае проблема никак не решается. Приходится смириться с небольшой полосой пропускания (20-30 МГц-км)  1, получив взамен относительную простоту изготовления оптического волокна. В настоящее время ступенчатое волокно практически не используется.

Многомодовое градиентное волокно

За счет сложного легирования оптоволокна можно добиться плавного уменьшения показателя преломления от центра к оболочке волокна. Тогда моды, хотя и будут по-прежнему проходить разные пути, но делать это за одинаковое время. Полоса пропускания по сравнению со ступенчатым волокном заметно увеличивается, до 100-1000 МГц-км.

Показатель преломления градиентных волокон обычно имеет параболический профиль, который получают, вводя в однородную стеклянную нить специальные добавки. В результате, при прочих равных условиях, число распространяющихся мод уменьшается примерно в два раза в сравнении со ступенчатым волноводом.

Оптоволоконные линии связи на многомодовом волокне обладают интересным свойством: полоса пропускания линейно зависит от длины кабеля, поэтому ее измеряют не в абсолютных, а в удельных показателях, обычно в МГц-км (мегагерц-километр). Так, оптоволоконный кабель с характеристикой 100 МГц-км при длине 100 метров будет иметь полосу пропускания 1 ГГц.

Понять причину этого свойства нетрудно, рассмотрев, какое расстояние пройдет луч (мода) в зависимости от угла входа в световод.

Пусть в момент t=0 на входе оптического волокна подается световой импульс. Его лучи будут распространяться в разных направлениях. Заданное расстояние l быстрее всех пройдет луч, идущий вдоль оси (j=0). Последним придет луч, вошедший под критическим углом (j=jкр). Величина запаздывания между ними определяется как

DТ = (n1/ n2) (l/c) Dn,

где с - скорость света в оптоволокне.

Лучи, вошедшие в волновод под углом 0<j<jкр придут с запаздыванием в интервале 0... DТ. Таким образом, следующий импульс не может быть принят, пока не "утихнут" моды предыдущего, и удельная пропускная способность (от нее можно перейти к полосе пропускания) может быть вычислена так:

DТ/ l = (n1/n2) (Dn /c).

Эта формула не является точной, так как основана на предположении об идеальности источника света, световода и фотоприемника. С ее помощью можно давать только приблизительные оценки пропускной способности. Например, при n1"n2 и Dn=1% (реальное ступенчатое оптоволокно) пропускная способность составит DТ/ l=3,3х10-8 мкс/км (или полоса пропускания 300 МГц-км)

Из-за сложного процесса изготовления, градиентное оптическое волокно относительно дорого (даже дороже, чем одномодовое волокно), но зато пассивные элементы для него - не такие дорогие, как для одномодового волокна. Поэтому кабели с градиентным волокном находят применение в небольших оптоволоконных системах, например в локальных сетях.

Одномодовое волокно

Ясно, что количество мод в существенной степени зависит от диаметра волокна. Так что если диаметр волокна окажется сравнимым с используемой длиной волны, то по волокну будет распространяться только одна мода (при этом действуют законы уже не геометрической, а волновой оптики).

Для точного вычисления максимального диаметра одномодового волокна можно воспользоваться формулой, которая определяет условие одномодовости:

V=2pd (n12 - n22)1/2/l < 2,405,

где n1,n2  - показатели преломления сердцевины и оболочки, l - длина волны светового сигнала, а d  - диаметр волокна. В частности для l=0,85 мкм, n=1,46 и Dn=1% одномодовое волокно должно иметь диаметр 8,5 мкм.

Из условия одномодовости вытекает важное следствие: оптоволокно некоторого малого диаметра при одной длине волны источника света будет одномодовым, а при другой - многомодовым.

Для оптоволоконных линий с одномодовым волокном, где межмодовая дисперсия отсутствует, строгой линейной зависимости полосы пропускания от длины линии нет. Поэтому полоса пропускания этих линий измеряется в абсолютных, а не в удельных величинах.

Свою лепту в уменьшение пропускной способности вносит не только межмодовая дисперсия, но и так называемая дисперсия материала (или хроматическая дисперсия). Дело в том, что показатель преломления (скорость распространения света) зависит и от длины волны. 2 Так как источники света (особенно светодиоды) испускают излучение в некотором диапазоне длин волн, то разность скоростей распространения создает дополнительное размывание светового импульса на приемном конце.

Полоса пропускания одномодового волокна составляет около 30 ТГц, что на несколько порядков больше, чем у первых двух видов, и мало зависит от длины. В магистральных линиях, вследствие ограничений по частоте, вносимых оптическими усилителями, она ограничена 3 ТГц.

Характеристики одномодового волокна таковы, что можно смело утверждать, что в будущем оно будет играть доминирующую роль. Вдобавок, как показывает опыт, высокотехнологический продукт быстро падает в цене, как только его начинают производить в больших масштабах.

Затухание

Кроме перечисленных, есть еще несколько параметров, которые определяют качество оптоволоконных линий связи, а значит и области их применения.

Этот параметр измеряется в обычных для линий связи единицах - дБ/км (децибел на километр). Затухание, то есть потеря мощности светового сигнала происходит, в основном, по двум причинам:

  • поглощение;
  • рассеивание.

Поглощение связано с возбуждением в материале световода электронных переходов и резонансов. В результате этого увеличивается тепловая энергия, накапливаемая в оптическом волокне. Поглощение зависит как от свойств материала, из которого изготавливается оптоволокно, так и от длины волны источника света.

Рассеивание меньше зависит от свойств материала и, в основном, определяется нарушением геометрической формы оптического волокна. Следствием этих нарушений является то, что часть лучей покидает оптоволокно. Интенсивность рассеивания зависит не только от качества материала, из которого изготавливается сердцевина оптоволокна, но и от качества оболочки, так как часть сигнала, вопреки теории, распространяется в ней. Бороться с этим можно за счет нанесения на оболочку поглощающего покрытия.

Подчеркнем, что затухание (поглощение) во многом зависит от длины волны светового сигнала. Причем экспериментально установлено три "окна", в которых поглощение заметно уменьшается - это 8,5 мкм, 1,3 мкм и 1,55 мкм (чем больше длина волны, тем меньше потери от затухания). Данные длины волн, относящиеся к инфракрасному диапазону, рекомендованы МКТТТ для использования (и используются) в оптоволоконных линиях связи. Если в первых волоконно-оптических линиях связи использовались источники с длиной волны 0,85 мкм, то сейчас на этой длине работают только небольшие оптоволоконные сети. В магистральных ВОЛС сейчас используются 1,55 мкм лазеры.

Еще на заре оптоволоконной технологии считалось, что минимально возможным затуханием, которого практически можно добиться в ВОЛС, является 20 дБ/км. Сегодня же одномодовые волокна, используемые в российских линиях, имеют затухание всего 0,22 дБ/км (оптическое волокно Sumitomo имеет затухание 0,154 дБ/км, а в лабораториях США получено так называемое фтороцирконатное волокно с еще меньшим затуханием - всего 0,02 дБ/км). Для многомодовых волокон характерно несколько большее затухание.

Диаметры сердцевины и оболочки

Этот параметр не требует особого комментария, приведем только наиболее типичные соотношения этих диаметров:

Диаметр сердцевины, мкм85062,5100
Диаметр оболочки, мкм125125125140

Реальный размер оптоволоконного кабеля, конечно, больше, чем диаметр оболочки, так как он имеет гораздо более сложную структуру, чем в теории. Кроме отражающей оболочки, оптоволокно окружается пластиковым буфером, элементом прочности и внешней оболочкой. Наконец, в одном кабеле могут объединяться десятки и сотни оптических волокон, так что диаметр кабеля существенно превосходит диаметр отдельного оптоволокна.

Источники и приемники света

Коротко расскажем об источниках и приемниках светового сигнала в ВОЛС. В современных оптоволоконных системах используются лучи света инфракрасного диапазона, которые имеют длину волны 0,85-1,55 мкм. При этом модулирующий источник должен иметь очень узкий спектр, в противном случае, из-за разности скоростей распространения волн разных длин, импульсный сигнал будет размываться. По этой причине в качестве источников используют лазеры или светодиоды. В качестве же приемников излучения используют фотодиоды инфракрасного диапазона.

Светодиодные источники дешевы, но имеют непрерывный и более широкий спектр, а также широкую диаграмму направленности. Лазеры в силу своих "природных качеств", наоборот, имеют узкий спектр и узкую (практически прямолинейную) направленность, но они более дороги и сложны в эксплуатации. Поэтому в небольших оптоволоконных системах используют обычно светодиодные источники, а в крупных информационных магистралях - лазеры.

Следует учесть, что и источники, и приемники света, так же как и оптическое волокно, обладают своей полосой пропускания, которая тоже в немалой степени определяет интегральную пропускную способность ВОЛС.

Области применения

Несмотря на принципиальное различие, все три вида оптоволокна находят свои области применения.

Рекомендации по использованию оптического волокна в ЛВС 3

Тип ЛВССко-рость пере-дачи инфор-мации (Мбод)Тип волокна и источника
  Небольшие ЛВС
< 100 метров
Крупные ЛВС < 300 meters
Магистрали < 2000 метров
10BASE-F20mmSmmSmmS
Token Ring32mmSmmSmmS
100VG-AnyLAN120mmSmmSmmLE
100BASE-F125mmSmmSMmLE
FDDI125mmSmmSmmLE
Fibre Channel133
266
531
1062
mm
mm
mm
mm
S
SL/ LE
SL/ LE
SL
mm
mm
mm
mm
S
SL/ LE
SL/ LE
SL
mm
sm
sm
sm
LE
LL
LL
LL
SONET-ATM52
155
622
1244
2488
mm
mm
mm
mm
mm
S
S/ LE
SL/ LE
SL
SL
mm
mm
mm
mm
mm
S
S/ LE
SL/ LE
SL
SL
mm
mm
sm
sm
sm
LE
SL/ LE
LL
LL
LL

Примечания

Mm - 62,5/125-мкм многомодовое волокно с полосой пропускания 160/500 МГц-км
sm - стандартное одномодовое волокно
S - коротковолновый (850 нм) светодиод или лазерный аналог

SL - коротковолновый (850 нм) лазер
LE - длинноволновый (1300 нм) светодиод
LL - длинноволновый (1300 нм) лазер
При наличии в одной клетке нескольких вариантов они упорядочены алфавиту.

Многомодовые волокна используются в небольших и средних телекоммуникационных системах. При этом ступенчатые волокна вследствие их дешевизны наиболее привлекательны для использования в локальных сетях и даже в домашнем быту.

Одномодовое же волокно, благодаря высокой полосе пропускания, находит применение в крупных информационных магистралях. Можно смело утверждать, что за ним - будущее, хотя и предстоит решить еще немало проблем.

Соединительные устройства

Оптоволоконный кабель, как и медный, нуждается в оконцовке, то есть подключении к каждому волокну специального коннектора. Наиболее сложная проблема оконцовки - точно совместить оси коннектора или волокна. Если многомодовое волокно еще допускает отклонение 15%, то в одномодовом волокне малейший сдвиг приводит к полной потере сигнала. Поэтому типы коннекторов в основном отличаются друг от друга размером и формой направляющего ободка (alignment ferrule).

Если в самых первых биконических коннекторах использовались конические ободки, то в настоящее время используются коннекторы типа SC (square cross-section), имеющие ободок квадратного сечения. Для надежного закрепления коннектора в гнезде в ранних типах коннекторов использовалась байонетная (ST) или резьбовая (SMA) фиксация. Сейчас в коннекторах SC используется технология "push-pull", предусматривающая закрепление коннектора в гнезде защелкиванием. Коннекторы SC - универсальны, они используются в локальных сетях, в телекоммуникационных системах и сетях кабельного телевидения.

Стоит упомянуть и средства быстрого соединения волокон между собой ("быстрого", так как надежное и долговечное соединение достигается сваркой или склеиванием волокон). Фирма 3М для этого предложила механические устройства под названием "сплайсы", это небольшая пластиковая коробочка, состоящая из корпуса и крышки. Внутри корпуса проходит специальный желоб. В него с обеих сторон вводятся соединяемые волокна. После этого на корпус одевается крышка, выполняющая функции замка. Особая конструкция корпуса обеспечивает точное центрирование волокон. Затухание на стыке сплайса - всего 0,1 дБ.

Фирма SIECOR предложила другую технологию сращивания волокон: сращиваемые волокна вводятся во втулку, наполненную силиконовым гелем. Гель обеспечивает и герметичность, и оптическую прозрачность соединения. На практике используются и другие способы соединения волокон.

Данный обзор призван дать самые общие представления о принципах современной оптоволоконной технологии. В заключение хотелось бы уберечь читателя от заблуждения о том, что в этом секторе российская наука отстает от западной. Это не так. Много блестящих результатов в области оптоволоконной технологии было получено именно в России. И сейчас есть все условия для того, чтобы оптоволоконные технологии и в нашей стране заняли свое место.


1 Если ступенчатое оптоволокно применяется в локальных сетях, где длина одного отрезка кабеля не превышает 100 метров, то мы получаем полосу пропускания 200-300 МГц, что не так уж и плохо.

2 На этом эффекте основана спектрография.

3 В соответствии с рекомендациями Fiber Optics LAN Section of the Telecommunications Industry Association, http://www.summitonline.com/deskmanage/papers/ tia1.html.

© ООО "Компьютерра-Онлайн", 1997-2022
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на "Компьютерру" обязательна.