Волоконно оптические системы реферат
Обновлено: 02.07.2024
Оптическое волокно — среда передачи, используемая в современных наземных сетях связи. Оно позволяет передавать огромное количество информации. Если сопоставить его полосу пропускания и емкость канала связи, считая, что 1 бит/с соответствует 1 герцу полосы, то можно прийти к выводу, чтоемкость такого канала близка к бесконечности. Фактически, весь используемый радиочастотный спектр (считаем, что он укладывается в полосу 3 кГц — 200 ГГц) может быть передан по одному волокну.
Оптическое волокно хорошо вписывается в схему цифровой передачи. Например, передача по коаксиальному кабелю и паре проводов требует значительно больше повторителей (регенераторов) на условную единицу длины,чем если бы она велась по оптическому волокну. Это соотношение колеблется от 20:1 до 100:1. В результате, накопленный джиттер (дрожание фазы фронтов импульсов) при передаче по оптоволокну значительно меньше, чем при передаче по медным проводам. Это происходит потому, что накопленный систематический джиттер является функцией числа последовательно включенных повторителей.
При современнойтехнологии емкость волокна (эквивалентная битовой скорости) может достигать 10 Гбит/с в расчете на один битовый поток. Используя при этом технологию волнового мультиплексирования можно пропустить по одному волокну не менее 80 таких потоков (В момент перевода этой книги это число составляло уже 320). Простое умножение дает нам цифру эквивалентной емкости 800 Гбит/с. В момент, когда эта книга уже вышла,один битовый поток мог переносить уже 40 Гбит/с. Значит то же умножение 80, но на 40, дает нам цифру эквивалентной емкости 3,2 Тбит/с на одно волокно. Предположим, что волоконно-оптический кабель (ВОК) имеет 24 волокна, из которых 4 резервных. Тогда оставшиеся 20 позволяют организовать 10 симметричных полнодуплексных (двунаправленных) канала. Таким образом, при емкости 3,2 Тбит/с на волокно, получаемобщую емкость ВОК в 32 Тбит/с. Эта емкость могла бы удовлетворить на некоторое время предъявляемые в настоящее время требования по емкости канала связи.
При самой сложной технике кодирования (упаковки) и использовании 18 ГГц несущей в полосе 40 МГц можно передать в настоящее время поток в 655 Мбит/с. Если допустить передачу по 10 таких несущих в одну и в другую стороны, то общая транспортнаяемкость такой системы будет равна 6 Гбит/ с, что составит всего 1/500 емкости, передаваемой по одному ВОК. При этом, конечно, волоконно-оптическая система передачи (ВОСП), использующая современные методы, не использует аналогичную технику упаковки бит.
1.2. Модель волоконно-оптической системы передачи
Рис. 1.1 представляет простую модель ВОСП. В тексте ниже мы будем часто ссылаться наэту модель. Не нужно большого воображения, чтобы увидеть, что ВОСП аналогична некой радиосистеме или беспроводной системе передач.
Рис. 1.1. Упрощенная модель ВОСП
В табл. 1.1 приведено сравнение аналогичных рис. 1.1 блоков. В ней приведены блоки, последовательно формирующие указанную выше модель. Это сравнение показывает, что во многих отношениях ВОСП не так уж существенноотличается от проводной (медно-жильной) системы или радиосистемы передачи.
Операции в блоках могут быть аналоговыми или цифровыми. Многие кабельные телевизионные системы используют аналоговый формат, со временем, однако, он все больше меняется на цифровой. Другая форму аналоговых приложений — передача радиосигналов в их естественной форме без использования частотной модуляции.
Возвращаяськ рис. 1.1, опишем кратко функцию каждого блока на блок-схеме, двигаясь слева направо. Электрооптический преобразователь (ЭОП) преобразует цифровой электрический сигнал в оптический NRZ- или RZ-сигнал или сигнал, использующий манчестерский код. Он также устанавливает требуемый уровень постоянного смещения входных импульсов. Формы импульсной последовательности и кодов.
Особенностью соединительных линий (С.Л) является относительно небольшая их длина за счет глубокого районирования сетей. Статистика распределения протяженности С.Л городской телефонной сети в крупнейших городах Украины свидетельствует, что С.Л протяженностью до 6 км составляют 65% от всего числа СЛ. Значительные расстояния между регенерационными пунктами ВОСП дают возможность отказаться от оборудования регенераторов в колодцах телефонной канализации, а также от организации дистанционного питания.
В наиболее общем виде принцип передачи информации в волоконно-оптических системах связи можно пояснить с помощью рис.1.2. На передающей стороне на излучатель света, в качестве которого в ВОСП используется светодиод или полупроводниковый лазер, поступает электрический сигнал, предназначенный для передачи по линии связи. Этот сигнал модулирует оптическое излучение источника света, в результате чего электрический сигнал преобразуется в оптический. На приемной стороне оптический сигнал из О.В. вводится в фотодетектор (Ф.Д). В современных ВОСП в качестве Ф.Д. используют p-i-n или лавинный фото диод (ЛФД).
Выбор элементной базы при реализации ВОСП и параметры её линейного тракта зависят от скорости передачи символов цифрового сигнала. МККТТ установлены правила объединения цифровых сигналов и определена иерархия аппаратуры временного объединения цифровых сигналов электросвязи. Сущность иерархии состоит в ступенчатом расположении указанной аппаратуры, при котором на каждой ступени объединяется определённое число цифровых сигналов, имеющих одинаковую скорость передачи символов, соответствующую предыдущей ступени. Цифровые сигналы во вторичной, третичной, и т.д. системах получаются объединением сигналов предыдущих иерархических систем. Для европейских стран установлены следующие стандартные скорости передачи для различных ступеней иерархии (соответственно ёмкости в телефонных каналах): первая ступень-2.048 Мбит/с (30 каналов), вторая-8.448 Мбит/с (120 каналов), третья-34.368 Мбит/с (480 каналов), четвертая-139.264 Мбит/с (1920 каналов). В соответствии с приведенными скоростями можно говорить о первичной, вторичной, третичной и четвертичной группах цифровых сигналов электрической связи (в этом же порядке присвоены названия системам ИКМ).
Аппаратура, в которой выполняется объединение этих сигналов, называется аппаратурой временного объединения цифровых сигналов. На выходе этой аппаратуры цифровой сигнал скремблируется скремблером, то есть преобразуется по структуре без изменения скорости передачи символов для того, чтобы приблизить его свойства к свойствам случайного сигнала (рис.1.3). Это позволяет достигнуть устойчивой работы линии связи вне зависимости от статистических свойств источника информации. Скремблированный сигнал может подаваться на вход любой цифровой системы передачи, что осуществляется при помощи аппаратуры электрического стыка.
Для каждой иерархической скорости МККТТ рекомендует свои коды стыка, например для вторичной – код HDB-3, для четверичной – код CMI и т.д. Операцию преобразования бинарного сигнала, поступающего от аппаратуры временного объединения в код стыка, выполняет преобразователь кода стыка. Код стыка может отличаться от кода принятого в оптическом линейном тракте. Операцию преобразования кода стыка в код цифровой ВОСП выполняет преобразователь кода линейного тракта, на выходе которого получается цифровой электрический сигнал, модулирующий ток излучателя передающего оптического модуля. Таким образом, волоконно-оптические системы передачи строятся на базе стандартных систем ИКМ заменой аппаратуры электрического линейного тракта на аппаратуру оптического линейного тракта.
1.1.1 Линейные коды ВОСП на ГТС
Оптическое волокно, как среда передачи, а также оптоэлектронные компоненты фотоприёмника и оптического передатчика накладывают ограничивающие требования на свойства цифрового сигнала, поступающего в линейный тракт. По этому между оборудованием стыка и линейным трактом ВОСП помещают преобразователь кода. Выбор кода оптической системы передачи сложная и важная задача. На выбор кода влияет, во первых, нелинейность модуляционной характеристики и температурная зависимость излучаемой оптической мощности лазера, которые приводят к необходимости использования двухуровневых кодов.
Во вторых, вид энергетического спектра, который должен иметь минимальное содержание низкочастотных (НЧ) и высокочастотных (ВЧ) компонент. Энергетический спектр содержит непрерывную и дискретную части. Непрерывная часть энергетического спектра цифрового сигнала зависит от информационного сигнала и типа кода. Для того, чтобы цифровой сигнал не искажался в усилителе переменного тока фотоприёмника желательно иметь низкочастотную составляющую непрерывной части энергетического спектра подавленной, в противном случае для реализации оптимального приёма перед решающим устройством регенератора требуется введение дополнительного устройства, предназначенного для восстановления НЧ составляющей, что усложняет оборудование линейного тракта. Существует ещё одна причина для уменьшения низкочастотной составляющей сигнала. Дело в том, что оптическая мощность, излучаемая полупроводниковым лазером, зависит от окружающей температуры и может быть легко стабилизирована посредством отрицательной обратной связи (ООС) по среднему значению излучаемой мощности только в том случае, когда отсутствует НЧ часть спектра, изменяющаяся во времени. Иначе в цепь ООС придется вводить специальные устройства, компенсирующие эти изменения.
В третьих, для выбора кода существенно высокое содержание информации о тактовом синхросигнале в линейном сигнале. В приёмнике эта информация используется для восстановления фазы и частоты хронирующего колебания, необходимого для управления принятием решения в пороговом устройстве. Осуществить синхронизацию тем проще, чем больше число переходов уровня в цифровом сигнале, то есть чем больше переходов вида 0-1 или 1-0. Лучшим с точки зрения восстановления тактовой частоты и простоты реализации схемы выделения хронирующей информации, является сигнал, имеющий в энергетическом спектре дискретную составляющую на тактовой частоте.
В пятых, код должен обеспечивать возможность обнаружения и исправления ошибок. Основной величиной, характеризующей качество связи, является частость появления ошибок или коэффициент ошибок, определяемый отношением среднего количества неправильно принятых посылок к их общему числу. Контроль качества связи необходимо производить, не прерывая работу линии. Это требование предполагает использование кода, обладающего избыточностью, тогда достаточно фиксировать нарушение правил формирования кода, чтобы контролировать качество связи.
Кроме вышеперечисленных требований на выбор кода оказывает влияние простота реализации, низкое потребление энергии и малая стоимость оборудования линейного тракта.
1.3.3 Оптический приемник
Структурная схема оптического приемника (ОПр) показана на рис.1.15. Приемник содержит фотодетектор (ФД) для преобразования оптического сигнала в электрический. Малошумящий усилитель (УС) для усиления полученного электрического сигнала до номинального уровня. Усиленный сигнал через фильтр (Ф), формирующий частотную характеристику приемника, обеспечивающую квазиоптимальный прием, поступает в устройство линейной коррекции (ЛК). В ЛК компенсируются частотные искажения электрической цепи на стыке фотодиода и первого транзистора усилителя. После преобразований сигнал поступает на вход решающего устройства (РУ), где под действием тактовых импульсов, поступающих от устройства выделения тактовой частоты (ВТЧ), принимается решение о принятом символе. На выходе оптического приёмника имеется преобразователь кода (ПК), преобразующий код линейный в стыковой код.
Таблица 1.1 - Сравнительная характеристика принципов построения одноволконных ВОСП
Минимальное затухание, максимальная длина РУ
Большой объем передаваемой информации
Относительно низкая стоимость
Высокая надежность и стойкость к внешним воздействиям
С оптическими разветвителями
С оптическими циркуляторами
Со спектральным уплотнением
Выводы по главе
В главе рассмотрены основополагающие принципы построения волоконно-оптических систем передачи на городской телефонной сети.
На ГТС ВОСП используются для уплотнения соединительных линий, для которых характерна небольшая длина, что позволяет отказаться от оборудования регенераторов в колодцах телефонной канализации. Волоконно-оптические системы передачи ГТС строятся на базе стандартного каналообразующего оборудования ИКМ, что позволяет легко модернизировать существующие соединительные линии для работы по оптическому кабелю.
В качестве линейного кода ВОСП ГТС используется код CMI, который позволяет выделять последовательность тактовых импульсов, контролировать величину ошибки. Число одноименных следующих друг за другом символов не превышает двух – трех, что положительно сказывается на устойчивости работы ВОСП.
Практически во всех волоконно-оптических системах передачи, рассчитанных на широкое применение, в качестве источников излучения сейчас используются полупроводниковые светоизлучающие диоды и лазеры. Для них характерны в первую очередь малые габариты, что позволяет выполнять передающие оптические модули в интегральном исполнении. Кроме того, для полупроводниковых источников света характерны невысокая стоимость и простота обеспечения модуляции.
В качестве приемников света в волоконно-оптических систем передачи на ГТС применяются лавинные фотодиоды, достоинством которых является высокая чувствительность. Однако, при использовании лавинных фотодиодов нужна жесткая стабилизация напряжения источника питания и температурная стабилизация, поскольку коэффициент лавинного умножения, а следовательно фототок и чувствительность ЛФД, сильно зависит от напряжения и температуры.
Передача оптических сигналов в ВОСП на ГТС осуществляется в многомодовом режиме, поскольку соединительные линии относительно коротки и дисперсионные процессы в оптических волокнах незначительны. На сегодняшний день для городской телефонной сети используются кабели марки ОК имеющие четыре или восемь ступенчатых многомодовых волокон.
В ближайшие годы потребность в увеличении числа каналов будет расти. Наиболее доступным способом увеличения пропускной способности ВОСП в два раза является передача по одному оптическому волокну двух сигналов в противоположных направлениях. Сегодня на городских сетях связи находят применение одноволконные ВОСП с оптическими разветвителями и со спектральным уплотнением.
2 Волоконно-оптические датчики
Первые попытки создания датчиков на основе оптических волокон можно отнести к середине 1970-х годов. Публикации о более или менее приемлемых разработках и экспериментальных образцах подобных датчиков появились во второй половине 1970-х годов. Однако считается, что этот тип датчиков сформировался как одно из направлений техники только в начале 1980-х годов. Тогда же появился и термин "волоконно-оптические датчики" (optical fiber sensors). Таким образом, волоконно-оптические датчики — очень молодая область техники.
2.1 От электрических измерений к электронным
Конец X IX века можно считать периодом становления метрологии в ее общем виде. К тому времени произошла определенная систематизация в области электротехники на основе теории электромагнетизма и цепей переменного тока. До этого физические величины измерялись главным образом механическими средствами, а сами механические измерения распространены были незначительно. Электрические же измерения ограничивались едва ли не исключительно только электростатическими. Можно сказать, что метрология, развиваясь по мере прогресса электротехники, с конца XIX века стала как бы ее родной сестрой.
Рассмотрим этапы и успехи этого развития. В течение нескольких десятков лет, вплоть до второй мировой войны, получили распространение электроизмерительные приборы, принцип работы которых основан на силах взаимодействия электрического тока и магнитного поля (закон Био — Совара). Тогда же эти приборы внедрялись в быстро развивающуюся промышленность. Особенность периода в том, что наука и техника, причастные к электроизмерительным приборам, становятся ядром метрологии и измерительной индустрии.
После второй мировой войны значительные успехи в развитии электроники привели к громадным переменам в метрологии. В пятидесятых годах появились осциллографы, содержащие от нескольких десятков до сотни и более электронных ламп и обладающие весьма высокими функциональными возможностями, а также целый ряд подобных устройств, которые стали широко применяться в сфере производства и научных исследований. Так наступила эра электронных измерений. Сегодня, по прошествии 30 лет, значительно изменилась элементная база измерительных приборов. От электронных ламп перешли к транзисторам, интегральным схемам (ИС), большим ИС (БИС). Таким образом, и сегодня электроника является основой измерительной техники.
2.2 От аналоговых измерений к цифровым
Однако между электронными измерениями, которые производились в 1950-e годы, и электронными измерениями 1980-х годов большая разница. Суть ее заключается в том, что во многие измерительные приборы введена цифровая техника.
Обычно электронный измерительный прибор имеет структуру, подобную изображенной на рис. 1. Здесь датчик в случае измерения электрической величины (электрический ток или напряжение) особой роли не играет, и довольно часто выходным устройством такого измерителя является индикатор. Однако при использовании подобного прибора в какой-либо измерительной системе сплошь и рядом приходится сталкиваться с необходимостью обработки сигнала различными электронными схемами. Внедрение цифровой измерительной техники подразумевает в идеале, что цифровой сигнал поступает непосредственно от чувствительного элемента датчика. Но пока это скорее редкость, чем правило. Чаще же всего этот сигнал имеет аналоговую форму, и для него на входе блока обработки данных установлен аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Цифровая же техника используется главным образом в блоке обработки данных и в выходном устройстве (индикаторе) или в одном из них.
Рис. 2.1 - Типовая структура электронного измерителя
Основное преимущество использования цифровой техники в процессе обработки данных — это сравнительно простая реализация операций высокого уровня, которые трудно осуществимы с помощью аналоговых устройств. К таким операциям относятся подавление шумов, усреднение, нелинейная обработка, интегральные преобразования и др. При этом функциональная нагрузка на чувствительный элемент датчика уменьшается и снижаются требования к характеристикам элемента. Кроме того, благодаря цифровой обработке становится возможным измерение весьма малых величин.
2.3 Цифризация и волоконно-оптические датчики
Важно отметить, что одним из этапов развития волоконно-оптических датчиков было функциональное расширение операций, выполняемых в блоке обработки данных датчика, путем их цифризации и, что особенно существенно, упрощение операций нелинейного типа. Ведь в волоконно-оптических датчиках линейность выходного сигнала относительно измеряемой физической величины довольно часто неудовлетворительна. Благодаря же цифризации обработки эта проблема теперь частично или полностью решается.
Нечего и говорить, что важный стимул появления волоконно-оптических датчиков — создание самих оптических волокон, о которых будет рассказано ниже, а также взрывообразное развитие оптической электроники и волоконно-оптической техники связи.
2.4 Становление оптоэлектроники и появление оптических волокон.
2.4.1 Лазеры и становление оптоэлектроники
Оптоэлектроника — это новая область науки и техники, которая появилась на стыке оптики и электроники. Следует заметить, что в развитии радиотехники с самого начала ХХ века постоянно прослеживалась тенденция освоения электромагнитных волн все более высокой частоты. Вытекающее из этого факта предположение, что однажды радиотехника и электроника достигнут оптического диапазона волн, становится все более и более достоверным, начиная с 1950-х годов. Годом возникновения оптоэлектроники можно считать 1955-й, когда Е. Лоебнер (Loеbner Е. Е. Optoelectronic devices and networks//Proc. 1ЕЕЕ. 1955. V. 43. N 12. Р. 1897 — 1906) описал потенциальные параметры различных оптоэлектронных устройств связи, нынче называемых оптронами, т. е. когда были обсуждены основные характеристики соединения оптического и электронного устройств.
С тех пор оптоэлектроника непрерывно развивается, и полагают, что до конца ХХ века она превратится в огромную отрасль науки и техники, соизмеримую с электроникой. Появление в начале 1960-х годов лазеров способствовало ускорению развития оптоэлектроники. Потенциальные характеристики лазеров описаны еще в 1958 г., а уже в 1960 г. был создан самый первый лазер — газовый, на основе смеси гелия и неона. Генерирующие непрерывное излучение при комнатной температуре полупроводниковые лазеры, которые в настоящее время получили наиболее широкое применение, стали выпускаться с 1970 г.
2.4.2 Появление оптических волокон
Важным моментом в развитии оптоэлектроники является создание оптических волокон. Особенно интенсивными исследования стали в конце 1960-x годов, а разработка в 1970 г. американской фирмой "Корнинг" кварцевого волокна с малым затуханием (20 дБ/км) явилась эпохальным событием и послужила стимулом для увеличения темпов исследований и разработок на все 1970-е годы.
На рис. 2 показано снижение минимальных потерь передачи для различных оптических волокон на протяжении минувших десяти с лишним лет. Можно заметить, что для кварцевых оптических волокон потери за 10 лет (в 1970-е годы) уменьшились примерно на два порядка.
Изначальной и главной целью разработки оптических волокон было обеспечение ими оптических систем связи. Тем не менее в 1970-е годы, когда в технике оптических волокон применительно к оптическим системам связи были достигнуты уже значительные успехи, влияние волокон на развитие волоконно-оптических датчиков, о которых пойдет речь в этой книге, оказалось несколько неожиданным.
Рис. 2.2 - Снижение минимальных потерь передачи для различных типов оптических волокон
2.4.3 Одно- и многомодовые оптические волокна
Рис. 2.3 - Одномодовое (а) и многомодовое (б) оптическое волокно
Оптическое волокно обычно бывает одного из двух типов: одномодовое, в котором распространяется только одна мода (тип распределения передаваемого электромагнитного поля), и многомодовое — с передачей множества (около сотни) мод. Конструктивно эти типы волокон различаются только диаметром сердечника — световедущей части, внутри которой коэффициент преломления чуть выше, чем в периферийной части — оболочке (рис. 3).
В технике используются как многомодовые, так и одномодовые оптические волокна. Многомодовые волокна имеют большой (примерно 50 мкм) диаметр сердечника, что облегчает их соединение друг с другом. Но поскольку групповая скорость света для каждой моды различна, то при передаче узкого светового импульса происходит его расширение (увеличение дисперсии). По сравнению с многомодовыми у одномодовых волокон преимущества и недостатки меняются местами: дисперсия уменьшается, но малый (5. 10 мкм) диаметр сердечника значительно затрудняет соединение волокон этого типа и введение в них светового луча лазера.
Вследствие этого одномодовые оптические волокна нашли преимущественное применение в линиях связи, требующих высокой скорости передачи информации (линии верхнего ранга в иерархической структуре линий связи), а многомодовые чаще всего используются в линиях связи со сравнительно невысокой скоростью передачи информации. Имеются так называемые когерентные волоконно-оптические линии связи, где пригодны только одномодовые волокна. В многомодовом оптическом волокне когерентность принимаемых световых волн падает, поэтому его использование в когерентных линиях связи непрактично, что и предопределило применение в подобных линиях только одномодовых оптических волокон.
Напротив, хотя при использовании оптических волокон для датчиков вышеуказанные факторы тоже имеют место, но во многих случаях их роль уже иная. В частности, при использовании оптических волокон для когерентных измерений, когда из этих волокон формируется интерферометр, важным преимуществом одномодовых волокон является возможность передачи информации о фазе оптической волны, что неосуществимо с помощью многомодовых волокон. Следовательно, в данном случае необходимо только одномодовое оптическое волокно, как и в когерентных линиях связи. Тем не менее, на практике применение одномодового оптического волокна при измерении нетипично из-за небольшой его дисперсии. Короче говоря, в сенсорной оптоэлектронике, за исключением датчиков-интерферометров, используются многомодовые оптические волокна. Это обстоятельство объясняется еще и тем, что в датчиках длина используемых оптических волокон значительно меньше, чем в системах оптической связи.
2.4.4 Характеристики оптического волокна как структурного элемента датчика и систем связи
Прежде чем оценивать значимость этих характеристик для обеих областей применения, отметим общие достоинства оптических волокон:
широкополосность (предполагается до нескольких десятков терагерц);
малые потери (минимальные 0,154 дБ/км);
малый (около 125 мкм) диаметр;
малая (приблизительно 30 г/км) масса;
эластичность (минимальный радиус изгиба 2 MM);
механическая прочность (выдерживает нагрузку на разрыв примерно 7 кг);
отсутствие взаимной интерференции (перекрестных помех типа известных в телефонии "переходных разговоров");
безындукционность (практически отсутствует влияние электромагнитной индукции, а следовательно, и отрицательные явления, связанные с грозовыми разрядами, близостью к линии электропередачи, импульсами тока в силовой сети);
взрывобезопасность (гарантируется абсолютной неспособностью волокна быть причиной искры);
высокая электроизоляционная прочность (например, волокно длиной 20 см выдерживает напряжение до 10000 B);
высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям, маслам, воде.
В области оптической связи наиболее важны такие достоинства волокна, как широкополосность и малые потери, причем в строительстве внутригородских сетей связи наряду с этими свойствами особое значение приобретают малый диаметр и отсутствие взаимной интерференции, а в электрически неблагоприятной окружающей среде — безындукционность. Последние же три свойства в большинстве случаев здесь не играют какой-либо заметной роли.
В практике использования волоконно-оптических датчиков имеют наибольшее значение последние четыре свойства. Достаточно полезны и такие свойства, как эластичность, малые диаметр и масса. Широкополосность же и малые потери значительно повышают возможности оптических волокон, но далеко не всегда эти преимущества осознаются разработчиками датчиков. Однако, с современной точки зрения, по мере расширения функциональных возможностей волоконно-оптических датчиков в ближайшем будущем эта ситуация понемногу исправится.
Как будет показано ниже, в волоконно-оптических датчиках оптическое волокно может быть применено просто в качестве линии передачи, а может играть роль самого чувствительного элемента датчика. В последнем случае используются чувствительность волокна к электрическому полю (эффект Керра), магнитному полю (эффект Фарадея), к вибрации, температуре, давлению, деформациям (например, к изгибу). Многие из этих эффектов в оптических системах связи оцениваются как недостатки, в датчиках же их появление считается скорее преимуществом, которое следует развивать.
Следует также отметить, что оптические волокна существенно улучшают характеристики устройств, основанных на эффекте Саньяка.
2.5 Классификация волоконно-оптических датчиков и примеры их применения
Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять почти все. Например, давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость вращения, скорость линейного перемещения, ускорение, колебания, массу, звуковые волны, уровень жидкости, деформацию, коэффициент преломления, электрическое поле, электрический ток, магнитное поле, концентрацию газа, дозу радиационного излучения и т.д.
Если классифицировать волоконно-оптические датчики с точки зрения применения в них оптического волокна, то, как уже было отмечено выше, их можно грубо разделить на датчики, в которых оптическое волокно используется в качестве линии передачи, и датчики, в которых оно используется в качестве чувствительного элемента. Как видно из таблицы 1, в датчиках типа "линии передачи" используются в основном многомодовые оптические волокна, а в датчиках сенсорного типа чаще всего — одномодовые.
В данной статье автор пытается проанализировать области применения волоконно-оптических линий связи, их достоинства и недостатки, а также перспективы развития.
Ключевые слова: волоконно-оптические линии связи, ВОЛС, волоконно-оптический кабель, волокно.
В современном мире особую важность имеют такие ресурсы, как время и информация. По мере развития технологического процесса и науки, человечество безостановочно развивает средства обработки информации. Венцом данного процесса стало изобретение первого персонального компьютера. Данное изобретение позволило в кратчайшие сроки обрабатывать огромные массивы данных.
В связи с этим встал вопрос о том, как сэкономить ресурс времени не только на обработке информации, но и на ее передаче.
Этот вопрос был решен, когда появились волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Они имеют более высокую пропускную способность, чем проводники других типов, а также большую дальность передачи информации.
Волоконно-оптические линии связи — это такой вид линий связи, в котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам.
Данные линии связи обладают наибольшей скоростью передачи информации (до 40 Гбит/с), а также имеют минимальный уровень потерь при передаче сигнала.
В основе волоконно-оптической линии связи (ВОЛС), лежит волоконно-оптический кабель. Данный кабель является многопарным проводом, который состоит из проводников, разделенных специальным покрытием. Главная отличительная черта оптоволоконного кабеля, заключается в том, что для передачи информации используются фотоны. В то время как в медных проводниках передача осуществляется с помощью электронов.
Длины волн оптического излучения в электромагнитном спектре занимают область от 100 нм до 1 мм. В то же время для ВОЛС используются в основном только два диапазона: видимый (380–760 нм) и ближний инфракрасный диапазон (760–1600 нм).
Составными частями оптического волокна являются сердцевина, оптическая оболочка, а также защитное покрытие.
Рис. 1. Строение оптического волокна
Оптоволоконные кабели могут состоять из различных материалов изготовления, таких как кварцевое стекло, пластик, полимерные материалы. Главное условие, создание как можно более гладкой внутренней поверхности стенок кабеля. Наибольшую распространенность получило волокно, в основе которого лежит кварцевое стекло. Так как данный материал недорогой, волокно имеет доступную цену.
Оптические волокна делятся на виды, основанные по количеству распространяющихся в них мод. Одномодовое волокно может пропускать через себя лишь один световой сигнал, в то время как многомодовое несколько таких сигналов. В оптоволокне может распространяться одна или множество пространственных мод, это зависит от диаметра сердцевины: 9 мкм (для одномодового волокна), 50 или 62,5 мкм (для многомодового волокна), а также от оболочки и величины показателя преломления.
Следует выделять два вида оптических волокон:
Рис. 2. Многомодовое и одномодовое волокно
Каждый из видов волокон имеет свои преимущества и недостатки.
Например, одномодовое волокно обладает гораздо меньшей величиной затухания, тем самым позволяя передавать информацию на большие расстояния (может достигать 300 км) без ретрансляции сигнала, для сравнения многомодовое волокно передает информацию на расстояние до 10 км. Однако активное оборудование для многомодового волокна дешевле, так как больший диаметр сердечника снижает требования к расходимости излучения источника сигнала.
Таким образом, одномодовое волокно лучше использовать для больших расстояний, а многомодовое для коротких.
Волоконно-оптические линии связи обладают рядом преимуществ, таких как:
– Высокая скорость передачи информации (до 40 Гбит/с)
– Низкие потери при передаче сигнала
– Высокая защищенность ВОЛС
– Долговечность и надежность
– Возможность передачи данных на большие расстояния (до 300 км без усиления сигнала)
Одно из основных преимуществ ВОЛС, по отношению к проводникам других типов, это высокая защищенность от утечки информации, получить информацию можно лишь при физическом вмешательстве в кабель.
Также данные линии связи характеризуются высокой надежностью и долговечностью, так как в их состав входят материалы, не поддающиеся окислению. Как правило, срок службы оптоволокна достигает 25 лет, что делает возможным увеличивать пропускную способность канала только путем замены или модернизации активного оборудования (приемников и передатчиков), без замены самого кабеля.
Еще одним положительным моментом является то, что оптоволоконные кабели не подвержены воздействию радиочастотных и электромагнитных помех, а также скачков напряжения, в то время как на все другие кабели внешние помехи оказывают серьезное влияние.
Также присутствуют и недостатки:
– Высокая стоимость активного оборудования для ВОЛС
– Высокая стоимость сварки оптических волокон
Как можно заметить преимуществ гораздо больше, нежели недостатков, что только подтверждает широкое применение ВОЛС в современном мире.
Волоконно-оптические линии связи нашли применение во многих отраслях, наибольшее распространение они получили в телекоммуникационной сфере и сетях передачи информационных сигналов.
Также ВОЛС могут применяться для создания как локальных сетей, объединяющих несколько зданий, корпусов или домов, так и сетей, объединяющих города и даже страны.
ВОЛС также нашли свое применение, во многих отраслях промышленности, медицины и в системах безопасности.
Волоконно-оптические линии связи в перспективе способны полностью вытеснить проводники других типов, так как в современном мире необходима кабельная система, которая сможет на протяжении многих лет соответствовать возрастающим скоростям обработки информации, так как стоимость прокладки кабеля несет значительные расходы, часто прокладывать их заново не рентабельно.
На данный момент оптоволоконные кабели имеют большую полосу пропускания, передача информации осуществляется на скоростях до 40 Гбит/с, а в ближайшем будущем скорость передачи может достигнуть внушительных 100 Гбит/с, в то время как скорость передачи информации коаксиального кабеля составляет всего до 1 Гбит/с.
Немаловажную роль в перспективах оптоволоконных линий связи играет и расстояние передачи информации. Уже сегодня высококачественные системы оптоволоконной связи осуществляют передачу информации на расстояние до 300 км, а также существуют разработки систем до 400 км. В ближайшем будущем станет возможным появление систем с расстоянием передачи в 1000 км. Такие системы уже находятся в разработке, однако еще не представлены на рынке.
Таким образом, современным требованиям и условиям завтрашнего дня может удовлетворить только оптика, что делает волоконно-оптические линии связи лучшим вариантом.
В ходе данной статьи было рассмотрено что такое ВОЛС, а также ее многочисленные преимущества и имеющиеся недостатки. В результате чего, можно сделать вывод, что волоконно-оптические системы имеют подавляющее преимущество перед альтернативными проводниками, по таким критически важным параметрам как скорость и дальность передачи информации, а также защищенность и долговечность. Ряд недостатков был связан с более дорогостоящим оборудованием, однако ВОЛС обладают гораздо большим потенциалом и в перспективе будут соответствовать требованиям скорости передачи информации, в то время как многие альтернативные проводники уже сейчас не в полной мере соответствуют современным требованиям.
- Родина О. В. Волоконно-оптические линии связи. Практическое руководство. -М.: Горячая линия- Телеком, 2012. — 400с.
Основные термины (генерируются автоматически): волоконно-оптическая линия связи, волокно, активное оборудование, передача информации, современный мир, волоконно-оптический кабель, высокая защищенность, дальность передачи информации, кварцевое стекло, оптическое волокно.
Читайте также: