Реконструкция волоконно-оптической линии связи - Коммуникации и связь - Скачать бесплатно
строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для
сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1,55 мкм имеет
затухание 0,154 дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются
еще более «прозрачные», так называемые фторцирконатные оптические
волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны
2,5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких
волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками
через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с;
- ОВ изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись
кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в
отличие от меди;
- оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм, то есть очень
компактны и легки, что делает их перспективными для использования в
авиации, приборостроении, в кабельной технике;
- т.к. оптические волокна являются диэлектриками, следовательно, при
строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая
развязка сегментов. В оптической системе они электрически полностью
изолированы друг от друга, и многие проблемы, связанные с заземлением
и снятием потенциалов, которые до сих пор возникали при соединении
электрических кабелей, теряют свою актуальность. Применяя особо
прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают самонесущие
подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в
электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах
существующих линий электропередач, как отдельно, так и встроенные в
фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля
через реки и другие преграды;
- системы связи на основе оптических волокон устойчивы к
электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация
защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии
связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на
ОВ могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного
контроля) целостности линии;
- важное свойство оптического волокна - долговечность. Время жизни
волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах,
превышает 25 лет, что позволяет проложить волоконно-оптический кабель
один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность
канала путем замены приемников и передатчиков на более
быстродействующие.
Но существуют также некоторые недостатки волоконно-оптических
технологий:
- при создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы,
преобразующие электрические сигналы в свет, и свет в электрические
сигналы. Для соединения ОВ с приемо-передающим оборудованием
используются оптические коннекторы (соединители), которые должны
обладать малыми оптическими потерями и большим ресурсом на
подключение-отключение. Погрешности при изготовлении таких элементов
линии связи должны быть порядка доли микрона, т.е. соответствовать
длине волны излучения. Поэтому производство этих компонентов
оптических линий связи очень дорогостоящее;
- другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических
волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое
оборудование.
Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на
восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.
Преимущества от применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС)
настолько значительны, что, несмотря, на перечисленные недостатки
оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи
информации.
2.1. Волоконно-оптические кабели
Одним из важнейших компонентов ВОЛС является волоконно-оптический
кабель (ВОК).
Определяющими параметрами при производстве ВОК являются условия
эксплуатации и пропускная способность линии связи.
По условиям эксплуатации кабели подразделяют на:
- монтажные;
- станционные;
- зоновые;
- магистральные.
Первые два типа кабелей предназначены для прокладки внутри зданий и
сооружений. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую
строительную длину.
Кабели последних двух типов предназначены для прокладки в колодцах
кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти
кабели имеют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух
километров.
Для обеспечения большой пропускной способности линии связи
производятся ВОК, содержащие небольшое число (до 8) одномодовых волокон с
малым затуханием, а кабели для распределительных сетей могут содержать до
144 волокон как одномодовых, так и многомодовых, в зависимости от
расстояний между сегментами сети.
При изготовлении ВОК в основном используются два подхода:
- конструкции со свободным перемещением элементов;
- конструкции с жесткой связью между элементами.
По видам конструкций различают кабели повивной скрутки, пучковой
скрутки, кабели с профильным сердечником, а также ленточные кабели.
Существуют многочисленные комбинации конструкций ВОК, которые в сочетании с
большим ассортиментом применяемых материалов позволяют выбрать исполнение
кабеля, наилучшим образом удовлетворяющее всем условиям проекта, в том
числе - стоимостным.
Особый класс образуют кабели, встроенные в грозозащитный трос
(оптические волокна укладываются в стальные трубки, которые заменяют провод
заземления), используемые для подвески на опорах воздушных линий
электропередачи [4]. Такие кабели характеризуются способностью выдерживать
высокие механические и электрические нагрузки, обладают высокой
молниестойкостью и высокой стойкостью к вибрации, и предназначены для
соединения электростанций и станций управления, используя действующие
высоковольтные линии.
2.1.1. Соединение оптических волокон
Развитие волоконно-оптических телекоммуникационных технологий в
основном определяется качеством волоконно-оптических кабелей (ВОК) на
многомодовых и одномодовых оптических волокнах, изготовленных методом
покрытия кварцевой жилы полимерными или кварцевыми материалами. Некоторые
из этих волокон в настоящее время по ряду характеристик приблизились к
предельно возможным показателям. Так, одномодовое волокно с рабочей длиной
волны 1,55 мкм практически достигло предела по затуханию, равного 0,154
дБ/км. Это позволило в настоящее время строить регенерационные участки
длиной до 200 км и более, снижая тем самым затраты на строительство
волоконно-оптических линий связи. Однако ввиду естественных ограничений
производить волокна таких длин не представляется возможным. Поэтому
осуществляют соединение оптических волокон, называя участок между
соединениями строительной длиной. Снижение коэффициента затухания
оптического волокна обуславливает ужесточение требований к качеству
соединений. Это объясняется тем, что число таких соединений, как правило,
достаточно велико. Иные требования предъявляются к устройствам соединения
волоконно-оптических кабелей, предназначенных для локальных сетей, имеющих
небольшие длины участков. Данные устройства должны быть компактными,
допускать многоразовое соединение и отличаться простотой выполнения
соединения [5].
2.2. Оптическое волокно. Общие положения
Важнейший из компонентов ВОЛС - оптическое волокно. Для передачи
сигналов применяются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Свое
название волокна получили от способа распространения в них излучения.
Оптическое волокно (рис. 2.1) состоит из сердцевины, по которой
происходит распространение световых волн, и оболочки, предназначенной, с
одной стороны, для создания лучших условий отражения на границе раздела
«сердцевина - оболочка», а с другой - для снижения излучения энергии в
окружающее пространство. С целью повышения прочности и тем самым надежности
волокна поверх оболочки, как правило, накладываются защитные упрочняющие
покрытия.
Рис 2.1. Общий вид типового ОВ.
Такая конструкция ОВ используется в большинстве оптических кабелей
(ОК) в качестве базовой [5]. Сердцевина изготавливается из оптически более
плотного материала. Оптические волокна отличаются диаметром сердцевины и
оболочки, а также профилем показателя преломления сердцевины, т.е.
зависимостью показателя преломления от расстояния от оси ОВ (см. рис 2.3).
Все оптические волокна делятся на две основные группы: многомодовые
MMF (multi mode fiber) и одномодовые SMF (single mode fiber). В
многомодовых ОВ, имеющих диаметр светонесущей жилы на порядок больше длины
волны передачи, распространяется множество различных типов световых лучей -
мод. Многомодовые волокна разделяются по профилю показателя преломления на
ступенчатые (step index multi mode fiber) и градиентные (graded index multi
mode fiber).
2.3. Распространение световых лучей в оптических волокнах
Основными факторами, влияющими на характер распространения света в
волокне, наряду с длиной волны излучения, являются: геометрические
параметры волокна, затухание, дисперсия.
Рис. 2.2. Распространение излучения по ступенчатому и градиентному
многомодовым и одномодовому ОВ.
Принцип распространения оптического излучения вдоль оптического
волокна основан на явлении полного внутреннего отражения на границе сред с
разными показателями преломления. Процесс распространения световых лучей в
оптически более плотной среде, окруженной менее плотной показан на рис.
2.2. Угол полного внутреннего отражения, при котором падающее на границу
оптически более плотной и оптически менее плотной сред излучение полностью
отражается, определяется соотношением:
[pic], (2.3.1)
где n1 - показатель преломления сердцевины ОВ, n2 - показатель
преломления оболочки ОВ, причем n1 > n2. При попадании светового излучения
на торец ОВ в нем могут распространяться три типа световых лучей,
называемые направляемыми, вытекающими и излучаемыми лучами, наличие и
преобладание какого-либо типа лучей определяется углом их падения на
границу раздела «сердцевина - оболочка». Те лучи, которые падают на границу
раздела под углом [pic] (лучи 1, 2 и 3), отражаются от нее и вновь
возвращаются в сердцевину волокна, распространяясь в ней и не претерпевая
преломления. Так как траектории таких лучей полностью расположены внутри
среды распространения — сердцевины волокна, они распространяются на большие
расстояния и называются направляемыми.
Лучи, падающие на границу раздела под углами [pic] (лучи 4), носят
название вытекающих лучей (лучей оболочки). Достигая границы «сердцевина -
оболочка», эти лучи отражаются и преломляются, теряя каждый раз в оболочке
волокна часть энергии, в связи с чем исчезают вовсе на некотором расстоянии
от торца волокна. Лучи, которые излучаются из оболочки в окружающее
пространство (лучи 5), носят название излучаемых лучей и возникают в местах
нерегулярностей или из-за скручивания ОВ. Излучаемые и вытекающие лучи
являются паразитными и приводят к рассеиванию энергии и искажению
информационного сигнала.
2.4. Моды, распространяющиеся в оптических волноводах
В общем случае распространение электромагнитных волн описывается
системой уравнений Максвелла в дифференциальной форме:
[pic] (2.4.1)
где [pic]- плотность электрического заряда, [pic] и [pic] –
напряженности электрического и магнитного полей соответственно, [pic]–
плотность тока, [pic] и [pic] – электрическая и магнитная индукции.
Если представить напряженность электрического и магнитного поля
[pic] и [pic] при помощи преобразования Фурье [5]:
[pic], (2.4.2)
то волновые уравнения примут вид:
[pic], (2.4.3)
где [pic] - оператор Лапласа.
Световод можно представить идеальным цилиндром с продольной осью z,
оси х и у в поперечной (ху) плоскости образуют горизонтальную (xz) и
вертикальную (xz) плоскости. В этой системе существуют 4 класса волн (Е и Н
ортогональны):
поперечные Т: Ez = Нz = 0; Е = Еy; Н = Нx;
электрические Е: Еz = 0, Нz = 0; Е = (Еy , Еz) - распространяются в
плоскости (yz); Н = Нx ;
магнитные Н: Нz = 0, Еz = 0; Н = (Нx , Нz) - распространяются в
плоскости (xz), E = Ez;
смешанные ЕН или НЕ: Еz = 0, Нz = 0; Е = (Еy , Еz), Н = (Нx , Нz) -
распространяются в плоскостях (xz) и (yz).
При решении системы уравнений Максвелла удобнее использовать
цилиндрические координаты (z, r, ?), при этом решение ищется в виде волн с
компонентами Ez , Нz вида:
[pic], (2.4.4)
где [pic] и [pic] - нормирующие постоянные, [pic] - искомая функция,
[pic] - продольный коэффициент распространения волны.
Решения для [pic] получаются в виде наборов из m (появляются целые
индексы m) простых функций Бесселя [pic] для сердцевины и модифицированных
функций Ханкеля [pic] для оболочки, где [pic] и [pic] - поперечные
коэффициенты распространения в сердцевине и оболочке соответственно, [pic]
- волновое число. Параметр [pic] определяется как решение
характеристического уравнения, получаемого из граничных условий, требующих
непрерывности тангенциальных составляющих компонент Ez и Нz
электромагнитного поля на границе раздела сердцевины и оболочки.
Характеристическое уравнение, в свою очередь, дает набор из n решений
(появляются целые индексы n) для каждого целого m, т.е. имеем [pic]
собственных значений, каждому из которых соответствует определенный тип
волны, называемый модой. В результате формируется набор мод, перебор
которых основан на использовании двойных индексов.
Условием существования направляемой моды является экспоненциальное
убывание ее поля в оболочке вдоль координаты r , что определяется значением
поперечного коэффициента распространения в оболочке. При [pic]= 0
устанавливается критический режим, заключающийся в невозможности
существования направляемой моды, что соответствует [5]:
[pic]. (2.4.5)
Последнее уравнение имеет бесчисленное множество решений [5]:
[pic]
(2.4.6)
Введем величину, называемую нормированной частотой V, которая
связывает структурные параметры ОВ и длину световой волны, и определяемую
следующим выражением:
[pic], (2.4.7)
При [pic]= 0 для каждого из решений уравнения (2.4.5) имеет место
критическое значение нормированной частоты [pic] (m = 1, 2, 3…, n = 0, 1,
2, 3…):
[pic] [pic] и т.д.
Для моды HE11 критическое значение нормированной частоты [pic]. Эта
мода распространяется при любой частоте и структурных параметрах волокна и
является фундаментальной модой ступенчатого ОВ. Выбирая параметры ОВ можно
добиться режима распространения только этой моды, что осуществляется при
условии:
[pic] (2.4.8)
Минимальная длина волны, при которой в ОВ распространяется
фундаментальная мода, называется волоконной длиной волны отсечки. Значение
определяется из последнего выражения как:
[pic] (2.4.9)
2.5. Одномодовые оптические волокна
Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые одномодовые волокна
(step index single mode fiber) или стандартные волокна SF (standard fiber),
на волокна со смещенной дисперсией DSF (dispersion-shifted single mode
fiber), и на волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (non-zero
dispersion-shifted single mode fiber).
В ступенчатом одномодовом оптическом волокне (SF) (рис. 2.3) диаметр
светонесущей жилы составляет 8-10 мкм и сравним с длиной световой волны. В
таком волокне при достаточно большой длине волны света ? > ?CF (?CF - длина
волны отсечки) распространяется только один луч (одна мода). Одномодовый
режим в оптическом волокне реализуется в окнах прозрачности 1310 нм и 1550
нм. Распространение только одной моды устраняет межмодовую дисперсию и
обеспечивает очень высокую пропускную способность одномодового волокна в
этих окнах прозрачности. Наилучший режим распространения с точки зрения
дисперсии достигается в окрестности длины волны 1310 нм, когда
хроматическая дисперсия обращается в ноль. С точки зрения потерь это не
самое лучшее окно прозрачности. В этом окне потери составляют 0,3 - 0,4
дБ/км, в то время как наименьшее затухание 0,20 - 0,25 дБ/км достигается в
окне 1550 нм.
Рис. 2.3. Профили показателя преломления
В одномодовом оптическом волокне со смещенной дисперсией (DSF) (рис.
2.3) длина волны, на которой дисперсия обращается в ноль, - длина волны
нулевой дисперсии ?0 - смещена в окно прозрачности 1550 нм. Такое смещение
достигается благодаря специальному профилю показателя преломления волокна.
Таким образом, в волокне со смещенной дисперсией реализуются наилучшие
характеристики, как по минимуму дисперсии, так и по минимуму потерь.
Поэтому такое волокно лучше подходит для строительства протяженных
сегментов с расстоянием между ретрансляторами до 100 и более км.
Разумеется, единственная рабочая длина волны берется близкой к: 1550 нм.
Одномодовое оптическое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF
в отличие от DSF оптимизировано для передачи не одной длины волны, а сразу
нескольких длин волн (мультиплексного волнового сигнала) и наиболее
эффективно может использоваться при построении магистралей «полностью
оптических сетей» - сетей, на узлах которых не происходит оптоэлектронного
преобразования при распространении оптического сигнала.
Оптимизация трех перечисленных типов одномодовых ОВ совершенно не
означает, что они всегда должны использоваться исключительно под
определенные задачи: SF - передача сигнала на длине волны 1310 нм, DSF -
передача сигнала на длине волны 1550 нм, NZDSF - передача мультиплексного
сигнала в окне 1530-1560 нм. Так, например, мультиплексный сигнал в окне
1530-1560 нм можно передавать и по стандартному ступенчатому одномодовому
волокну SF [5]. Однако длина безретрансляционного участка при использовании
волокна SF будет меньше, чем при использовании NZDSF, или иначе потребуется
очень узкая полоса спектрального излучения лазерных передатчиков для
уменьшения результирующей хроматической дисперсии. Максимальное допустимое
расстояние определяется техническими характеристиками как самого волокна
(затуханием, дисперсией), так и приемопередающего оборудования (мощностью,
частотой, спектральным уширением излучения передатчика, чувствительностью
приемника).
В ВОЛС наиболее широко используются следующие стандарты волокон:
- многомодовое градиентное волокно 50/125;
- многомодовое градиентное волокно 62,5/125;
- одномодовое ступенчатое волокно SF (волокно с несмещенной дисперсией
или стандартное волокно) 8-10/125;
- одномодовое волокно со смещенной дисперсией DSF 8-10/125;
- одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (по
профилю показателя преломления это волокно схоже с предыдущим типом
волокна).
2.6. Константа распространения и фазовая скорость
Волновое число k можно рассматривать как вектор, направление
которого совпадает с направлением распространения света в объемных средах.
Этот вектор называется волновым вектором. В среде с показателем преломления
[pic] величина волнового вектора равна [pic]. В случае распространения
света внутри волновода направление распространения света совпадает с
направлением проекции ? волнового вектора k, на ось волновода:
[pic] (2.6.1)
где [pic] - угол, дополняющий угол i до 90[pic] (или угол между лучом
и осью, как показано на рис. 2.4), ? называется константой распространения
и играет такую же роль в волноводе как волновое число k в свободном
пространстве [6]. Т.к. [pic], то в соответствии с (ф. 2.6.1) [pic] и i
зависят от длины волны.
Рис. 2.4. Волновой вектор и константа распространения
Угол падения [pic] изменяется между [pic] и ?/2. Следовательно:
[pic] (2.6.2)
Таким образом, величина константы распространения внутри волновода
всегда лежит между значениями волновых чисел плоской световой волны в
материале сердцевины и оболочки. Если учесть, что [pic], то можно
переписать это соотношение на языке фазовых скоростей:
[pic] (2.6.3)
Фазовые скорости распространения мод [pic] заключены между фазовыми
скоростями волн в двух объемных материалах.
Скорость распространения светового сигнала или групповая скорость -
это скорость распространения огибающей светового импульса. В общем случае
групповая скорость u не равна фазовой скорости. Различие фазовых скоростей
мод приводит к искажению входного пучка света по мере его распространения в
волокне.
В волокне с параболическим градиентным показателем преломления
наклонные лучи распространяются по криволинейной траектории, которая,
естественно, длиннее, чем путь распространения аксиального луча. Однако из-
за уменьшения показателя преломления по мере удаления от оси волокна,
скорость распространения составляющих светового сигнала при приближении к
оболочке оптического волокна возрастает, так что в результате этого время
распространения составляющих по ОВ оказывается примерно одинаковым. Таким
образом, дисперсия или изменение времени распространения различных мод,
сводится к минимуму, а ширина полосы пропускания волокна увеличивается.
Точный расчет показывает, что разброс групповых скоростей различных мод в
таком волокне существенно меньше, чем в волокне со ступенчатым профилем
показателя преломления. Оптические волокна, которые могут поддерживать
распространение только моды самого
|
