Опубликован: 26.10.2007 | Уровень: специалист | Доступ: платный
Лекция 7:

Оптоволоконные кабели

< Лекция 6 || Лекция 7: 123456 || Лекция 8 >

Краткие итоги

  • Передача информации по волоконно­оптическому кабелю имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю: широкая полоса пропускания, малое затухание светового сигнала в волокне, низкий уровень шумов, защищенность от электромагнитных помех, малый вес и объем, высокая безопасность от несанкционированного доступа, гальваническая развязка элементов сети, пожаробезопасность, уменьшение требований к линейно­кабельным сооружениям, экономичность, длительный срок эксплуатации.
  • Оптоволоконный кабель содержит три основных элемента: оплетка, оболочка, сердцевина.
  • Сердцевина - волоконный светопроводящий элемент окружен оболочкой, которая имеет меньший показатель преломления света. Это приводит к тому, что большинство световых лучей в сердцевине отражаются внутрь сердцевины.
  • Максимальный угол, при котором для вводимого в волокно светового излучения обеспечивается полное внутреннее отражение, называется числовая апертура.
  • При построении сетей могут использоваться многожильные кабели.
  • Оптические волокна, в которых допускается прохождение лучей к приемнику многочисленными путями, называются многомодовыми.
  • Запаздывающие лучи приводят к расширению передаваемых импульсов. Это явление называется дисперсией. Величина этого расширения прямо пропорциональна ширине импульса и обратно пропорциональна скорости передачи.
  • Пропускная способность оптического кабеля, которая характеризуется коэффициентом широкополосности (BDF — Bandwidth Distance Factor).
  • Волокна, у которых на границе "оболочка-сердцевина" происходит скачок коэффициента преломления, называются волокнами со ступенчатым показателем преломления.
  • Волокна с изменяющимся показателем преломления по указанному выше закону называется градиентными и имеют коэффициент широкополосности на два порядка больше, чем ступенчатые волокна.
  • Затухание измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение или рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощения зависят от прозрачности материала, из которого изготовлено волокно. Потери на рассеяние зависят от неоднородности преломления материала.
  • Хроматическая дисперсия возникает в том случае, если световой сигнал состоит из волн разных длин. Хроматическая дисперсия — один из механизмов лимитирующих полосу пропускания волоконно­оптических кабелей, ухудшающих распространение импульсов сигнала, который состоит из различных цветов проходящего света (некогерентность сигнала).
  • Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и происходит при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне.
  • Материальная составляющая отражает свойства зависимости показателя преломления волокна от длины волны. В выражение для дисперсии одномодового волокна входит характеристика материала, а именно — зависимости показателя от длины волны. Эта составляющая определяется скоростью (дифференциалом) возрастания или уменьшения показателя преломления в зависимости от длины волны. С увеличением длины волны этот показатель может быть положительным, (коэффициент преломления возрастает) или отрицательным (коэффициент преломления убывает).
  • Волновая дисперсия определяется временем распространения сигнала в зависимости от длины волны. Она всегда положительная (время распространения с увеличением длины волны только возрастает).
  • При определенной длине волны (примерно 1310 ± 10 нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация материальной и волновой дисперсий, а результирующая дисперсия обращается в нуль. Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии ?0. Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться ?0 для данного конкретного волокна.
  • Установлено, что при определенной форме сигнала он имеет наименьшую дисперсию. Такие импульсы называются солитонами.
  • Имеется два типа приборов, преобразующих электрический сигнал в световой — это светодиоды и лазерные диоды. Светодиоды (LEDLight-Emitting Diode) генерируют некогерентное излучение (сигнал содержит составляющие из нескольких длин волн).

    Принцип излучения светодиодов позволяет модуляцию только по интенсивности излучения. Мощность излучения светодиодов может достигать нескольких десятков мкВт.

  • Лазерный диод обеспечивает когерентное излучение. Его луч обладает более узким спектром, по сравнению со светодиодом. Принцип излучение лазерных диодов позволяет использовать модуляцию по параметрам световой волны, например частотную.
  • Лазерные диоды отличаются более сложной конструкцией и большими электрическими нагрузками по сравнению со светодиодами, но они уступают последним в надежности, удобстве эксплуатации и стоимости.
  • В обычных фотодиодах формируется ток, зависящий от интенсивности падающего излучения, их отличают хорошая линейность и стабильность работы, малое время отклика, но они не обеспечивают усиление фототока.
  • Фототранзисторы имеют высокую чувствительность и хорошее усиление, но из-за большой барьерной емкости время отклика у них большое, то есть частотные характеристики хуже, чем у диодов.
  • p-i-n обладают большей чувствительностью, чем светодиоды. Их барьерная емкость мала, за счет чего обеспечиваются хорошие частотные характеристики (граничная частота — до 1 ГГц).
  • Лавинные диоды характеризуются высокой чувствительностью, большим усилением и высоким быстродействием, однако их использование затруднено сложностью, высокой стоимостью, высокими рабочими напряжениями, необходимостью стабилизации напряжений и температур и работой только в режиме усиления слабого сигнала.
  • Одними из критических мест волоконных систем являются сращивание волокон и разъемы. Потеря света в соединителе составляет 10-20%. Для сравнения: сварка волокон приводит к потерям не более 1-2%.
  • Кросс, предназначенный для оптического кабеля, относится к кроссам высокой плотности, т.е. количество подключаемых пар на единицу площади превышает предыдущие системы (например, цифровые системы уплотнения).
  • Волновое мультиплексирование (Wave Division MultiplexingWDM) — это концепция объединения нескольких потоков данных по одному физическому волоконно­оптическому кабелю. Такое увеличение емкости кабеля достигается исходя из фундаментального принципа физики. Он состоит в том, что лучи света с разными длинами волн не взаимодействуют между собой. Основная идея систем WDM состоит в использовании нескольких длин волн (или частот) для передачи отдельного потока данных на каждой из них.
  • Существует два типа систем WDM, обеспечивающих грубое (CWDM) или плотное (DWDM) разделение шкалы длин волн. Системы CWDM обычно обеспечивают передачу от 8 до 16 длин волн с шагом в 20 нм, от 1310 до 1630 нм. Системы DWDM работают с количеством длин волн до 144, обычно с шагом менее 2 нм примерно в том же диапазоне длин волн.
  • Главное приложение WDM-систем состоит в увеличении емкости оптического волокна. В этом случае большое количество потоков данных передаются по небольшому количеству оптических кабелей. Это дает возможность значительно увеличить пропускную способность оптического кабеля. Другое приложение — использование WDM в сетях абонентского доступа.

Задачи и упражнения

  1. Используя таблицу 7.1, определите максимально допустимую длину по затуханию оптической линии, которая может быть обслужена в соответствии с параметрами оптического кабеля, указанными в таблице 7.2, и функционирует в следующих условиях:
    • одномодовый кабель 9,5/125, работающий на длине волны 1350 нм;
    • одномодовый кабель 9,5/125, работающий на длине волны 1550 нм;
    • многомодовый градиентный 50/125, работающий на длине волны 850 нм.;
    • многомодовый градиентный 50/125, работающий на длине волны 1350 нм;
    • многомодовый градиентный 100/140, работающий на длине волны 1350 нм;
    • многомодовый градиентный 200/280, работающий на длине волны 850 нм.

    Принимаем разность между допустимой выходной мощностью источника и входной мощностью, необходимой приемнику, при максимальном коэффициенте ошибок равной 42 дБ.

  2. Определите максимально допустимую длину оптической линии по дисперсии, которая может быть обслужена в соответствии с параметрами оптического кабеля, указанными в тексте этой главы и приведенными повторно ниже. Примем при этом полосу пропускания равной 90 Мбит/c и коэффициент широкополосности (BDF — Bandwidth Distance Factor).

    200 МГц/км

    800 МГц/км

    50 ГГц/км

    100 ГГц/км

    Сравните с результатом предыдущей задачи. Какой из показателей больше ограничивает расстояние?

  3. Определить коэффициент широкополосности (BDF) в оптоволоконной системе при следующих условиях:
    • длина волны 850 нм
    • ширина спектра светодиода 50
    • дисперсия 3,5 пс-км (почти "нулевая" хроматическая дисперсия, с учетом допусков на изготовление)
    • максимально допустимая величина расширения k = 0,25

    Указания к решению задачи 2

    Для решения используем приведенную в тексте формулу

    \tau_{mat}(\Delta \lambda) = \Delta \lambda \cdot L \cdot M(\lambda)

    где \tau_{mat}(\Delta \lambda)дисперсия, выраженная в пикосекундах на км на нанометр) (пс/км•нм);

    M(\lambda) — дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны (или коэффициент дисперсии волокна) в пс/км-нм;

    \Delta \lambda — спектр источника в нанометрах (нм);

    L — длина кабеля.

    Введем показатель "максимально допустимая величина расширения импульса" (она зависит от кода, применяемого для передачи сигналов):

    \tau_{mat}(\Delta \lambda) \le kT

    Подставляя выражение в предыдущую формулу, получаем

    kT=\Delta \lambda \cdot L \cdot M(\lambda)

    или

    \frac{L}{T} \le \frac{k}{\Delta \lambda \cdot M(\lambda)}

    Учитывая, что

    B=\frac{1}{T}

    где B — ширина полосы пропускания, получаем формулу коэффициента широкополосности, по которой следует проводить вычисления:

    BL \le \frac{k}{\Delta \lambda \cdot M(\lambda)}
  4. Определить коэффициент широкополосности (BDF) в оптоволоконной системе при следующих условиях:
    • длина волны 1550 нм
    • ширина спектра светодиода 0,4
    • дисперсия 3,5 пс/км-нм (почти "нулевая" хроматическая дисперсия, с учетом допусков на изготовление)
    • максимально допустимая величина расширения k = 0,25
  5. Определить допустимую ширину спектра светодиода при следующих условиях:
    • длина волны 1550 нм
    • коэффициент широкополосности 500 Мбит
    • дисперсия 3,5 пс/км-нм (почти "нулевая" хроматическая дисперсия, с учетом допусков на изготовление)
    • максимально допустимая величина расширения k = 0,25
< Лекция 6 || Лекция 7: 123456 || Лекция 8 >
Кристина Руди
Кристина Руди
Ольга Москалева
Ольга Москалева
алексей оглы
алексей оглы
Россия
рафич Салахиев
рафич Салахиев
Россия