Волоконнооптические кабели

 

Оптический кабель представляет из себя скрученные оптические волокна (4 – 32 штуки) из кварцевого стекла. В них используется явление полного внутреннего отражения. Работают волокна в инфракрасном диапазоне при длине волны λ=0.85 – 1.6 микрометров. Этим длинам волн соответствует диапазон частот 170 – 350 Терагерц или (1.7 – 3.5)10⁵ ГГц. Чрезвычайно малая длина волны и чрезвычайно высокие значения несущей частоты и определяют уникальные возможности оптических волокон для передачи информации.

Действительно, высокие значения несущей частоты позволяют передавать сигналы с полосой частот 1 – 10 ТГц и более. Это соответствует длительности импульсов 0.1 – 1 пикосекунды или пропускной способности канала связи 1000 – 10000 Гбит/с. Конечно, такие потенциальные возможности оптических линий связи не так просто реализовать в полной мере, но даже небольшая доля от потенциальной пропускной способности дает таким линиям связи громадные преимущества.

В радиоэлектронике, связи волновые процессы, как правило реализуются в устройствах, размеры которых соизмеримы с длиной волны. Не являются исключением и оптические волокна. Для достижения предельных характеристик размеры поперечного сечения волокна должны не превышать (3 – 4) λ. С одной стороны, это создает трудности при изготовлении волокон, с другой существенно минимизирует поперечные размеры линий связи, поскольку размеры оптических передатчиков и приемников должны быть согласованы с сечением оптического волокна. Малые размеры волокон позволяют размещать их в одном оптическом кабеле десятками и сотнями.

Основной элемент оптического кабеля – волоконный световод – тонкое двухслойное цилиндрическое волокно. Оно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n₁ и n₂ (рисунок 5.14)

Рисунок 5.14 - Продольное сечение оптического волокна

 

Так как n₁>n₂, то при углах больше угла полного внутреннего отражения θ _B (sin θ _B= ), оптические лучи полностью отражаются от границы раздела двух сред.

Оптическое волокно может обойтись и без оптической оболочки. При этом показатель преломления воздуха n₂=1 и условия полного внутреннего отражения будут выполнятся даже в большем диапазоне углов θ. Однако на практике оптическое волокно должно быть изолировано от других волокон и защищено от внешней среды. Обычно в качестве защитной оболочки применяют полимерные материалы. У этих материалов оптические свойства (показатель преломления и коэффициент затухания) существенно отличаются от характеристик волокна и условия полного внутреннего отражения нарушаются. Поэтому в качестве развязки и вводят оптическую оболочку. Если переход от области с показателем преломления n₁ к n₂ происходит резко, то волокно называют ступенчатым.

Изготовление двухслойного оптического волокна не представляет больших проблем. В процессе получения оптической заготовки кварцевого стекла из газовой среды кремния и кислорода в газовую смесь добавляют компоненты, которые при осаждении на цилиндрическую поверхность металлической трубки меняют показатель преломления стекла. Эти изменения не столь значительны. Например, n₁=1,465, а n₂=1,46. Этого, однако, достаточно для реализации явления полного внутреннего отражения при углах θ >85º.

Оптические волокна делятся на одномодовые и многомодовые. Согласно волновой теории оптических волноводов в них может распространяться несколько типов колебаний (мод), отличающихся друг от друга структурой электрического и магнитного поля, значением фазовой скорости и волнового сопротивления. Условие существования только одной моды:

.

Для типичного случая n₁=1,5 и n₂=1.49, максимальное значение диаметра сердцевины 2 а равно 6,8мкм при длине волны λ=0,85мкм и 12,8мкм при λ=1,6мкм.

Одномодовый и многомодовый режим можно приближенно интерпретировать и в рамках лучевой теории (рисунок 5.15)

Рисунок 5.15 - Одномодовый (а) и многомодовый (б) режимы передачи.

Здесь в многомодовом режиме для одного сигнала существует несколько одновременно распространяющихся лучей света, которые проходят путь в волокне за разные интервалы времени.

Излучение оптического передатчика (светодиода или лазера) вводится в волокно, как правило, с торца (рисунок 5.16)

Рисунок 5.16 - Ввод излучения в волокно

 

Телесный угол θ _A, связанный с углом полного внутреннего отражения θ _B определяет пучок лучей, которые будут распространяться в волокне. Для описания процессов ввода излучения и возникновения различных мод вводится понятие числовой апертуры

NA = sin θ _A = (5.8)

и нормированной частоты

V = (5.9)

Одномодовый режим реализуется при V≤2,405, а число мод возникающих в ступенчатом волноводе

N =

Из приведенных выражений видно, что число мод в волноводе пропорционально .

Одновременное возникновение и распространение нескольких мод существенно снижает пропускную способность волоконно-оптической линии связи. Если обратиться к рисунку 5.15б, то нетрудно увидеть, что разные лучи, возбужденные коротким импульсом с длительностью τ_вх проходят в волокне разный путь и, следовательно, приходят к фотоприемнику с разными задержками. При этом длительность выходного импульса τ_вых существенно увеличивается. Это явление называют модовой дисперсией и характеризуют уширением τ_мод

Модовое уширение тем больше, чем больше число мод N и длина линии связи. Величина уширения импульса за счет модовой дисперсии ступенчатого кабеля достигает 20 – 50нс/км.

Одним из способов борьбы с уширением импульса за счет модовой дисперсии является применение градиентных волноводов (рисунок 5.17).

n2

Рисунок 5.17 - Градиентный оптический кабель.

 

Здесь показатель преломления сердцевины уменьшится плавно от центра от максимального значения n₁. Чаще всего применяется параболический профиль

n = n₁[1-2Δ(r/a)²]^1/2, (5.10)

где Δ =

В этом случае траектория лучей становится искривленной, причем лучи с меньшими углами θ _A идут ближе к оси волокна, где оптическая плотность больше. Поэтому оптическая разность хода разных мод становится меньше чем у ступенчатого волновода. Вследствие этого уменьшается число мод (примерно в два раза) и уширение импульса τ_мод (примерно в 10 – 20 раз).

Наряду с модовой дисперсией в оптических волноводах (волокнах) существует и хроматическая дисперсия. Она определяется зависимостью скорости оптических волн от частоты.

Числитель в этом выражении характеризует зависимость скорости каждой отдельной моды от частоты (волноводная дисперсия), а знаменатель частотную зависимость показателя преломления среды сердцевины (материальная зависимость).

Результирующее значение уширения импульсов за счет модовой τ_мод, волноводной τ_ВВ и и материальной τ_мат дисперсией будет

Для многомодовых волноводов решающий вклад в уширение импульса вносит модовая дисперсия, которая может быть рассчитана по следующим формулам:

(5.11)

(5.12)

где - длина линии,

для ступенчатого волновода

для градиентного волновода

=

Таким образом, пропускная способность градиентного волокна в 2/Δ раз больше, чем у ступенчатого, и разница может составить два порядка.

В одномодовом волокне модовая дисперсия отсутствует, а материальная и волноводная дисперсия имеют различные частотные зависимости, такие, что на длине волны λ = 1,35мкм результирующее уширение импульса близко к нулю. В этом случае можно обеспечить передачу очень коротких импульсов (до 10псек) и высокую пропускную способность (до 100 Гб/сек).

Уникальные пропускные и дисперсионные свойства оптических волокон могут реализоваться только в том случае, если материал волокна (кварцевое стекло) будет обладать малыми потерями, связанными с поглощением и рассеянием света. В рабочем частотном диапазоне (λ=1 – 2 мкм) решающий вклад в затухание вносит поглощение на различных примесях, которое носит резонансный характер. Частотная зависимость затухания волокна, в котором состав примесей существенно уменьшен, приведена на рисунке 5.18.

Рисунок 5.18 - Зависимость ослабления света в кварцевом волокне от длины волны

 

Здесь оставшиеся примеси (ионы гидроксильных групп ОН) вызывают резонансное поглощение света на длинах волн 0.45; 1.24; 1.34 мкм. Между этими участками есть окна прозрачности, наиболее интересными из которых являются окна при λ=1.3 мкм,λ=1.55 мкм. Наименьшее затухание (до 0.3 дБ/км) и наибольшая дальность связи (до 100 км) достигается при работе линии связи на λ=1.55 мкм. Однако длина волны λ=1.3 мкм тоже уникальна тем, что для нее минимум затухания (0.7 – 1 дБ/км) совпадает с минимумом уширения импульса. Поэтому в сочетании параметров “дальность действия – пропускная способность” эта длина волны также получила широкое применение.

Пропускную способность волоконно-оптических сетей можно увеличить внедрив технологию плотного волнового мультиплексирования (Dense Wavelength Division Multiplexing - DWDM). Данная технология подразумевает спектральное разделение полосы пропускания волокна на несколько оптических каналов. Таким образом в одной паре волокон параллельно передается несколько независимых каналов (каждый на своей длине волны), что позволяет повысить пропускную способность системы передачи.

Возможность спектрального уплотнения рассмотрим на примере окна прозрачности 1550 нм. В диапазоне длин волн (1530-1565 нм) полоса пропускания составляет 4.4 ТГц, которая позволяет реализовать в С-диапазоне до 40 оптических каналов при ширине одного канала 100 ГГц или до 80 оптических каналов при его ширине 50 ГГц. В диапазоне L (1570-1605 нм) максимальное число оптических каналов может достигать 160 при ширине канала 50 ГГц.

Дальнейшее увеличение пропускной способности и дальности действия оптических кабелей можно получить с помощью солитоновых DWDM-систем. Основное свойство оптического солитона - возможность распространения оптического импульса без дисперсионного расплывания. Солитон - это модулированный по интенсивности оптический импульс, который за счет нелинейного взаимодействия между спектральными составляющими поддерживает неизменной форму оптического сигнала по мере его распространения в волокне. При учете нелинейного эффекта перераспределения энергии между спектральными составляющими можно избежать дисперсионного расплывания сигнала, распространяющегося вдоль волокна. Данная технология представляется наиболее перспективной для передачи сигнала STM-256 (40 Гбит/с) на большие расстояния. Использование технологии DWDM оправданно для передачи больших объемов трафика.

Современные городские транспортные сети должны поддерживать работу с неоднородным трафиком, в том числе с узкополосным трафиком на базе SDH-систем и широкополосным ATM- и Ethernet-трафиком. Технология DWDM позволяет объединить передачу разнородного трафика. Для этого каждому типу трафика выделяются свой оптический канал или своя длина волны. Можно утверждать, что технология DWDM становится экономически привлекательной при объеме трафика 40 Гбит/с и выше. Однако экономически эффективной она может быть и при объеме 10 Гбит/с. Чтобы лучше понять особенности построения DWDM-сетей в городских условиях, рассмотрим основные функциональные узлы соответствующего оборудования.

Основные узлы DWDM-оборудования

Технология DWDM предъявляет гораздо более жесткие требования к оптическим источникам излучения, нежели SDH. Чтобы соседние каналы не влияли друг на друга, ширина спектра излучения должна быть значительно меньше ширины оптического канала, т. е. на уровне 0,2-0,3 нм. В системах SDH по оптическому кабелю передается только один сигнал на частоте 1310 или 1550 нм. Поэтому требования к стабильности частоты и ширине спектра излучения оптического источника сравнительно невысоки.

Для передачи по одному волокну нескольких сигналов STM необходимо преобразовать их из "формата" SDH в "формат" DWDM. Эту функцию выполняет транспондер. На его вход подается сигнал STM (или ATM, IP), который необходимо преобразовать в "формат" DWDM, т. е. в сигнал со строго фиксированной длиной волны и узким спектром излучения. Оптический STM-сигнал преобразуется в электрическую форму, восстанавливается форма сигнала, и далее выполняется обратное электрооптическое преобразование в "формат" DWDM. Для восстановления формы сигналов используется 3R-преобразование: 1R (re-amplification) - усиление сигнала, 2R - 1R плюс восстановление формы сигналов (re-shaping), 3R - 2R плюс ресинхронизация (re-timing). Для передачи сигнала на сравнительно небольшие расстояния, в пределах города или области, достаточно использовать транспондеры с функцией 2R.

Можно выделить четыре основных узла оборудования DWDM:

* оптический терминальный мультиплексор (Optical Terminal Multiplexer - OTM),

* регенератор (Regenerator - REG),

* оптический усилитель (Optical Line Amplifier - OLA),

* оптический мультиплексор ввода-вывода (Optical Add Drop Multiplexer - OADM).

Основными узлами оптического терминального мультиплексора являются оптический мультиплексор (OM) и оптический демультиплексор (OD). В направлении передачи OM мультиплексирует сигналы с фиксированными длинами волн, сформированные на выходе транспондеров, в групповой сигнал, который и передается по оптическому кабелю. На приеме OD демультиплексирует групповой сигнал на сигналы с фиксированными длинами волн, которые подаются на транспондеры.

Оптический регенератор используется для восстановления формы группового сигнала, подавления джиттера и улучшения соотношения сигнал/шум. С этой целью используется преобразование O-E-O (Optical-Electrical-Optical). Групповой сигнал на входе REG преобразуется в электрическую форму, проводится 3R-восстановление формы сигнала, и далее он опять преобразуется в оптическую форму. Регенератор строится на базе двух OTM-мультиплексоров, включенных по схеме back-to-back через транспондеры. Такая конфигурация позволяет осуществить ввод-вывод всех оптических каналов.

Оптический усилитель соответственно усиливает групповой сигнал без восстановления его формы. При передачи информации на большие расстояния усилители оснащают функцией эквалайзера - выравнивания мощности оптических каналов. В городских условиях функция эквалайзера не используется, и это уменьшает стоимость усилителя. Оптический усилитель наиболее дешевый узел оборудования DWDM (в сравнении с OTM-мультиплексором и регенератором).

Оптический мультиплексор ввода-вывода строится на базе оптического усилителя, в который добавляется пассивная оптическая плата, позволяющая осуществить ввод-вывод ограниченного числа оптических каналов с фиксированными длинами волн. Она представляет собой брегговскую решетку с периодическими изменениями индекса преломления, которые достигаются за счет насечек на оптоволоконном кабеле, сделанных с помощью ультрафиолетового излучения. OADM-мультиплексор на базе брегговских решеток позволяет осуществлять ввод-вывод от 1 до 12 оптических каналов. Для остальных каналов он работает как усилитель. Основное преимущество такого мультиплексора по сравнению с OTM-мультиплексором и регенератором - гораздо более низкая его цена.

Особенности использования DWDM в городских условиях. При построении городских транспортных сетей требования к элементам DWDM упрощаются. При передаче сигнала на небольшие расстояния снижаются и требования к усилителям: как правило, не нужна функция эквалайзера, выходная мощность тоже может быть уменьшена. Все это приводит к заметному удешевлению усилителей. В городских сетях DWDM промежуточные узлы работают в режиме усилителей, поэтому для передачи трафика преобразование O-E-O осуществляется только на конечных узлах, а в промежуточных узлах - лишь усиление сигнала.