СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОБОЗНАЧЕНИ

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

1.1 История развития волоконной оптики

1.2 Структура волоконно-оптической системы передачи

1.3 Производство оптических кабелей в России и за рубежом

1.4 Преимущества и недостатки использования оптических волокон в системах связи

Контрольные вопросы

2 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ ПО ОПТИЧЕСКИМ ВОЛОКНАМ

2.1 Отражение и преломление света на границе раздела двух диэлектрических сред

2.2 Полное внутреннее отражение

2.3 Числовая апертура

2.4 Частотное и пространственное изменения показателя преломления

2.5 Оптические волокна со ступенчатым профилем показателя преломления

2.6 Оптические волокна с градиентным профилем показателя преломления

2.7 Многоступенчатый профиль показателя преломления

Контрольные вопросы

3 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ВОЛНОВОЙ ТЕОРИИ ПЕРЕДАЧИ СВЕТА ПО ОПТИЧЕСКИМ ВОЛОКНАМ

3.1 Основные понятия

3.2 Волновой анализ распространения оптических сигналов

3.3 Нормированная и критическая частота

3.4 Число направляемых мод и длина волны отсечки

3.5 Диаметр модового поля

Контрольные вопросы

4 ЗАТУХАНИЯ В ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЯХ И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ

4.1 Общая функция и классификация затуханий в оптических кабелях

4.2 Собственные затухания

4.2.1 Затухания из-за поглощения энергии в материале оптического волокна

4.2.2 Затухания из-за Рэлеевского рассеяния света

4.3 Дополнительные кабельные затухания

4.4 Методы измерения затухания

4.4.1 Методы светопропускания

4.4.2 Метод обратного рассеяния

Контрольные вопросы

5 ДИСПЕРСИЯ И МЕТОДЫ ЕЕ ИЗМЕРЕНИЯ

5.1 Определение и виды дисперсии

5.2 Модовая дисперсия

5.3 Хроматическая (частотная) дисперсия

5.3.1 Материальная дисперсия

5.3.2 Волноводная (внутримодовая) дисперсия

5.3.3 Профильная дисперсия

5.4 Поляризационная модовая дисперсия

5.5 Полоса пропускания оптического волокна

5.6 Измерение полосы пропускания и дисперсии оптических волокон

Контрольные вопросы

6 Расчет длины регенерационного участка ВОСП

6.1 Основные расчетные соотношения

6.2 Анализ результатов расчета

Контрольные вопросы:

7 КЛАССИФИКАЦИЯ ОТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ И ПРИНЦИПЫ ИХ МАРКИРОВКИ

7.1 Классификация оптических кобелей

7.2 Технические требования к оптическим кабелям связи

7.3 Маркировка оптических кабелей

7.4 Конструкции волоконно-оптических кабелей

Контрольные вопросы

ПРИЛОЖЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Ниже приводится список сокращений, применяемых в англоязычной и русскоязычной литературе по телекоммуникациям, которые используются в тексте

А – амплитуда волны;

В– пропускная способность линии, скорость передачи информации;

В()– удельное значение волноводной дисперсии;

– вектор индукции магнитного поля;

С– постоянный коэффициент для кварца, равный 0,9;

с₀ = 3* 10⁸ м/с – скорость света в вакууме;

– вектор индукции электрического поля;

Е– напряженность электрического поля электромагнитной волны;

Е₀– модуль Юнга оболочки;

Е_с– модуль Юнга сердцевины;

– вектор напряженности электрического поля;

F– пропускная способность ОВ;

f – частота;

h = 6,63* 10^-34 Дж* с – постоянная Планка;

Н– напряженность магнитного поля электромагнитной волны;

– вектор напряженности магнитного поля;

I– мощность падающего на единичную площадку излучения;

к– волновое число электромагнитной волны;

k_Б = 1,38* 10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана;

k_р– коэффициент рассеяния, равный для кварца 0,8 [мкм⁴* дБ];

К(j)– передаточная характеристика ОВ;

L - длина линии;

L - длина участка регенерации по затуханию;

L _макс - максимальная проектная длина участка регенерации;

L _мин - минимальная проектная длина участка регенерации;

L_В - длина участка регенерации по ширикополосности;

L_с - длина связи мод;

М– системный запас ВОСП;

М( )– удельное значение материальной дисперсии;

– вектор магнитной поляризации;

– единичный вектор, нормальный к плоскости, в которой находится плоская волна;

n_g – групповой показатель преломления;

n₁ – показатель преломления сердцевины;

n₂ – показатель преломления оболочки;

Р- мощность оптического сигнала в волокне;

Р₀- мощность, вводимая в волокно;

Р₁(j )- спектральная плотность мощности импульса на входе ОВ;

Р₂(j )- спектральная плотность мощности импульса на выходе ОВ;

– вектор электрической поляризации;

r– радиус-вектор точки пространства;

– координаты точки наблюдения;

t– время;

t_ивх– длительность импульса на входе ОВ;

t_ивых– длительность импульса на выходе ОВ;

t_гр– групповое время прохождения пакета электромагнитных волн участка световода;

V – скорость распространения света диэлектрической среде;

U_гр– групповая скорость пакета электромагнитных волн;

U_ф– фазовая скорость электромагнитной волны;

x, y, z – координаты точки в декартовой системе координат.

₀ – критический угол падения;

₁ – угол падения по отношению к нормали;

₂ – угол отражения по отношению к нормали;

_ик – затухания в инфракрасной области частот;

_к – кабельные (дополнительные) затухания оптического кабеля;

_макс– максимальное значение перекрываемого затухания аппаратуры ВОСП;

_мин– минимальное значение перекрываемого затухания аппаратуры ВОСП;

_нс– затухание неразъемного (сварного) оптического соединения;

_общ – общие потери оптического волокна;

_ок – километрическое затухание в оптических волокнах кабеля;

_п– затухания из-за эффектов поглощения;

_пз– постоянная затухания в волокне;

_пм– затухания из-за поглощения молекулами;

_пп– затухания из-за поглощения примесями;

_р– затухания из-за рассеяния;

_рс– затухание разъемного оптического соединителя;

_с– собственные затухания оптического волокна;

β₀ – критический угол преломления;

β – угол преломления по отношению к нормали;

() – ширина спектральной характеристики;

₀ = 8,85* 10^-12 Ф/м – диэлектрическая проницаемость вакуума;

, – диэлектрическая и магнитная проницаемости среды;

₀– длина волны света в вакууме;

₀= 4* 10^-7 Гн/м – магнитная проницаемость вакуума;

_А – апертурный угол;

_п – угол падения луча на торец ОВ;

– проводимость среды распространения оптических импульсов;

– дисперсия;

_вв – волноводная дисперсия;

_мат – материальная дисперсия;

_мод – межмодовая дисперсия;

_пол – поляризационная дисперсия;

_пр – профильная дисперсия;

_хром – хроматическая дисперсия;

– круговая частота электромагнитной волны.

Одним из основных направлений современного научно-технического прогресса является всестороннее развитие волоконно-оптических систем связи, обеспечивающих возможность доставки на значительные расстояния чрезвычайно большого объема информации с наивысшей скоростью. Уже сейчас имеются волоконно-оптические линии (ВОЛП) большой информационной емкости с длиной регенерационных участков до 200 км и более. Столь интенсивный прогресс волоконно-оптических телекоммуни-кационных технологий невозможен без достижений в теории передачи информации, физики и технологии изготовления элементов ВОЛП.

В настоящее время в ряде вузов страны ведется подготовка специалистов в области проектирования, строительства и эксплуатации ВОЛП. Однако до настоящего времени отсутствуют учебники и учебные пособия, в которых была бы сосредоточена вся необходимая информация по перечисленным выше вопросам. Информация подобного характера об элементной базе ВОЛП разрознена и мало доступна студентам.

В настоящем учебном пособии предпринята попытка в какой-то мере поправить ситуацию. Из большого объема сведений, имеющихся в современной технической литературе по технике оптической связи, отобрана лишь та информация, которая, на наш взгляд, позволяет оценить состояние и тенденцию развития, а также сделать правильный выбор пассивных элементов волоконно-оптических сетей.

Разделы 1-7 адресованы в основном читателям, которые изучают физические основы передачи информации по ВОЛП. Здесь рассмотрены общие требования к оптическим кабелям, типы их конструкций. Описываются общие закономерности взаимодействия элементов конструкции оптических кабелей различных типов. Материалы этих разделов полезны, на наш взгляд, для представления физической сути функционирования оптических кабелей в различных условиях.

Разделы 8-14 посвящены пассивным компонентам ВОЛП. Однако, ввиду ограниченности рамок настоящего издания большой объем сведений по характеристикам отечественных и зарубежных оптических компонентов был опущен и рассмотрены лишь те параметры, которые могут представить практический интерес при проектировании ВОЛП.

В основу учебного пособия положен курс лекций, читаемых авторами в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики, а также в его филиалах в Екатеринбурге и Улан-Удэ. Оно предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 200900 и 201000 всех форм обучения. Предполагается, что ими уже изучены курсы высшей математики и общей физики.

История передачи информации с помощью луча света уходит в глубь веков. Наиболее близкие к нам изобретения относятся к 90-м годам XVIII века: И.П. Кулибин (в России) и К. Шапп (во Франции) независимо друг от друга изобрели оптический телеграф, а в 1880 году Александр Грехем Белл установил телефонную связь между крышами двух домов в Вашингтоне, используя сфокусированный солнечный луч. Эти системы использовали передачу света через атмосферу [5].

Первые световоды появились в России в 70-е годы XIX века (1874-76). Русский электротехник В.Н. Чиколев использовал полые, зеркальные внутри, металлические трубы для освещения одной дуговой лампой нескольких помещений, в том числе и пороховых погребов, где использование таких ламп было взрывоопасным. Однако мысль о передаче информации с помощью луча света, распространяющегося по световоду, пришла к ученым почти через 100 лет (в 60-е годы ХХ века).

В период с 1953 по 1959 год работами Ван Хиила, Капани и Хирошавица был заложен основной принцип волоконной оптики – принцип передачи света по двухслойному диэлектрическому световоду. Все современные световоды, используемые как для связи, так и для других применений, построены на основе этого принципа.

В эти же годы (1954) Н.Г. Басов и А.М. Прохоров (в России) и независимо от них Ч.Таунс (в США) сделали величайшее открытие века: создали источник микроволнового когерентного излучения – газовый квантовый генератор, названным мазером, а в 1959 году Н.Г. Басов с сотрудниками предложил использовать полупроводниковые материалы для создания твердотельных световых квантовых генераторов, названых лазерами. Слово “лазер” составлено из первых букв фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света с помощью индуцированного излучения.

В 1965-66 годах британская телефонная компания STL выдвинула идею использования стеклянного волокна для оптической связи. Это было реально при условии очистки стекла до уровня, обеспечивающего потери в 20 дБ/км. Указанная идея была опубликована К.Ч. Као и Дж.А. Хоклхемом в журнале “IEEE Proceedings” в 1966 году.

С 1966 года ряд зарубежных фирм, таких как Bell Laboratories и Corning Glass Works (в США), Nippon Electric и Nippon Sheet Glass (в Японии), AEG-Telefunken и Siemens und Halske (в Германии), занялись вопросами очистки стекла и разработкой технологии получения оптических волокон для линий дальней связи. Эти работы на Западе шли параллельно с исследованием и других сред для передачи оптического излучения.

В 1956 году впервые в мире О.Ф. Косминский (в России, Ленинград) предложил использовать оптический диапазон длин волн для передачи больших объемов информации по искусственным оптическим линиям передачи. В 1957-58 годах он и В.Н. Кузьмичев обосновали общую схему световодной системы связи, основные принципы построения оптических многоканальных систем связи, основные типы световодов.

В 1965 году группой специалистов ЦНИИС во главе с А.Г. Мурадяном была создана 12 канальная оптическая линия связи между двумя АТС в Москве с использованием ИКМ. В 1966 году этими же специалистами была реализована экспериментальная лазерная линия связи емкостью 240 каналов, сформированная по методу ИКМ, между двумя АТС в Москве. Работы в этом же направлении проводились в те годы и на Западе. Например, компания “Bell Telephone” провела испытания лазера в системе связи с ИКМ.

В 1970 году впервые в мире были получены потери в оптическом волокне менее 20 дБ/км. В этом же году в Ленинграде Ж.И. Алферов создал полупроводниковый лазер на основе двойной гетероструктуры. Эти структуры оказались наиболее перспективными (среди других полупроводниковых материалов) для источников и приемников излучения и используются до сих пор в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) [5].

Первые публикации о разработке отечественных стеклянных волоконных световодов, предназначенных для передачи информации, появились в 1975 году (Е.М. Дианов, ФИАН, и Г.Г. Девятых с сотрудниками, ИХАН). Первые световоды имели диаметр сердцевины 35 мкм и внешний диаметр 130 мкм, их длина составляла 100-130 м. Минимальные потери до 10 дБ/км были получены в диапазоне длин волн 0,7-0,9 мкм в световоде со ступенчатым профилем показателя преломления. В 1976 году в ФИАНЕ была опробована ВОЛС для связи блоков ЭВМ длиной 350 м на основе созданных световодов [5].

В конце 70-х годов Минэлектронпромом были специально разработаны для ВОЛС полупроводниковые излучающие диоды, суперлюминисцентные и лазерные диоды. Эти излучатели были оптимизированы на длину волны излучения 0,8-0,9 мкм. Диапазон вводимых в волокно мощностей составлял от 50 мкВт до 1,5 мВт. Разрабатывались цифровые передающие модули.

Разработчиком ПП фотоприемников, по сложившейся специализации министерств, был Миноборонпром СССР. К 1981 году в НИИ прикладной физики (НИИПФ) был разработан и получил высокую оценку pin-фотодиод “Нитка-Ф”. Для линий дальней связи разрабатывался лавинный фотодиод, имевший высокую чувствительность в диапазоне 0,5-1,6 мкм и очень высокое быстродействие – более 1 ГГц. Разработкой многослойных эпитаксиальных структур на основе твердых растворов GaAlAsSb и InGaAsP для фотоприемников и излучателей занимался “Гиредмет” Минцветмета.

Разработку приемных и передающих модулей для ВОЛС под свои задачи проводили предприятия отраслевых министерств. Это были в основном бортовые модули на основе световодов и pin-фотодиодов диапазона 0,8-0,9 мкм. Среди этих работ следует отметить комплекты модулей НИИ автоматики Минпромсвязи, микросборки МНИИП Минрадиопрома, НИИ “Агат” Минсудпрома, ЛИИ Минавиапрома [5].

Работы по созданию ОВ для ВОЛС проводили институты АН СССР и ряд институтов отраслевых министерств (Минэлектронпром, Минхимпром, Минстройматериалов, Минэлектротехпром).

На выставке “ВОЛС-3” было представлено ОВ в основном типа “кварц-полимер”, работающее на длине волны 0,85 мкм, имеющее диаметр сердцевины 200-400 мкм для передачи излучения светодиодов и с диаметром сердцевины 50-60 мкм для передачи излучения лазерных диодов, с затуханием порядка 10-30 дБ/км. Такое волокно было продемонстрировано НИИЭС и ВНИИКП. Результаты НИР по созданию “ступенчатого” и “градиентного” волокна на длину волны 1,3 мкм показал НИИ кварцевого стекла МПСМ. Для градиентного волокна с диаметрами сердцевина/оболочка 60/150 мкм была достигнута широкополосность 200 Мгц/км и затухание 5дБ/км.

Разработкой ОК различного назначения и соответственно различных конструкций занимались в основном ВНИИКП и ОКБКП Минэлектротехпрома были попытки разработки кабелей на основе волокна собственного производства и у других предприятий. Во ВНИИКП были разработаны конструкции кабеля с количеством волокон 1,2,4,8 на основе волокон “кварц-полимер” и “кварц-кварц” с затуханием от 10 до 30 дБ/км и наружным диаметром от 2,5 мм до 12 мм.

ОКБКП разработал и выпускал по ТУ 1979 года кабель КВСП-50 на основе волокна “кварц-полимер” со ступенчатым профилем показателя преломления, затуханием 20-40 дБ/км и широкополосностью 40 МГц/км, кроме того, был разработан внутриобъектовый ОК с затуханием менее 30 дБ/км.

К началу 80-х годов на имеющихся экспериментальных и опытных образцах компонентов были созданы, опробованы и получены результаты НИР по созданию ВОЛС различного назначения. В частности, были разработаны бортовые ВОЛС для подвижных объектов: самолетов, кораблей, танков и др. Эти линии имели небольшую длину, использовали преимущественно волокно с диаметром сердцевины 200-400 мкм, световоды и pin-фотодиоды диапазона 0,85 мкм. Главным преимуществом ВОЛС перед традиционными системами связи на борту была их невосприимчивость к электромагнитным полям.

В мае1981 года было принято Постановление ЦК КПСС и СМ СССР “О разработке и внедрении световодных систем связи и передачи информации”. С его выходом было положено начало организации широкомасштабных работ в области ВОЛС. Оно поставило перед предприятиями заинтересованных министерств задачи по созданию ОВ и кабеля, оптоэлектронной элементной базы, контрольно-измерительной аппаратуры, специального технологического оборудования, оптических соединителей и других компонентов. Конечной целью являлись ВОЛС для передачи различной информации: от телефонных разговоров до цифровых широкополосных сигналов в системах специального назначения.

Развитие задач, поставленных в 1981 году, было закреплено Постановлениями СМ СССР 1985-86 годов. В соответствии с ними и решениями ВПК конкретизировались отдельные направления работ. Например, осваивался диапазон длин волн 1,55 мкм; повышались требования к быстродействию, энергетическим характеристикам, надежности оптоэлектронных компонентов; повышались требования к качеству ОВ – его стойкости к низким температурам, долговечности, вносимому затуханию, дисперсии [5].

Ведущая роль в разработке отечественного ОВ принадлежит АН СССР и в первую очередь ФИАН, из которого в середине 80-х годов выделился ИОФАН под руководством А.М.Прохорова. Этот институт далее и занимался ОВ. Кроме того, разработкой технологии ОВ занимался Институт химии – ИХАН и Институт радиотехники и электроники – ИРЭАН СССР.

Под руководством Е.М.Дианова в ФИАН в 80-е годы в содружестве с ИХАН, где работами руководил Г.Г.Девятых широко развернулись работы по созданию технологии ОМ-волокна и, кроме, продолжались ранее начатые работы по усовершенствованию технологии градиентных ММ-волокон. Направления работ по волокну определяли требования к оптическому кабелю, основными из них были:

-уменьшение и достижение предельно низких, близких к теоретическому минимуму, потерь в волокне;

-увеличение ширины полосы пропускания или сведения к минимуму дисперсии;

-увеличение прочности волокна;

-снижение потерь, возникающих при использовании ОВ при отрицательных температурах;

-повышение радиационной стойкости волокна.

Для одномодовых волокон, полученных методом химического осаждения из газовой фазы на внутреннюю поверхность опорной трубки, к 1988 году были достигнуты потери, близкие к теоретическому пределу; на длине волны 1,3 мкм – 0,36 дБ/км и на длине волны 1,55 мкм – 0,21 дБ/км.

К концу 80-х годов в стране была частично создана, а на 90% закуплена за рубежом технологическая база для выпуска ОВ. Разработки ведущих НИИ, а особенно АН СССР, отличались высокими характеристиками и неплохим качеством, но получить промышленное волокно с такими же характеристиками не удалось.

Отечественное промышленное волокно серьезно уступало зарубежному по прочности и стабильности характеристик при эксплуатации. Причина тому видится в изначальном распылении средств на разработку и промышленный выпуск между предприятиями многих министерств. Одного только оборудования было закуплено не менее чем для 10 институтов и стольких же заводов. Низкое качество отечественного волокна вынудило Минсвязи сделать ставку на импортное волокно при производстве отечественных ОК, так как это было экономически целесообразнее при прокладке ВОЛС, которые в то время начали широко внедряться. Учитывая, что Министерство связи является самым мощным по объемам потребителем ОК, производство отечественного ОВ в начале 90-х годов было практически остановлено[5].

Ответственным за разработку оптических кабелей (ОК) в едином технологическом цикле с ОВ Постановлением 1981 года было назначено Министерство электротехнической промышленности (МЭТП), головным предприятием отрасли по выпуску ОК был назначен Всероссийский научно-исследовательский институт кабельной продукции (ВНИИКП). Kроме ВНИИКП в МЭТП разработкой и выпуском ОК занималось отраслевое конструкторское бюро кабельной продукции (ОКБКП) в Мытищах, которое также как и ВНИИКП к 1981 году уже имело опыт работы с ОК и выпускало серийные марки такого кабеля.

Между ВНИИКП и ОКБКП с выходом Постановления установилось разграничение тематики: ВНИИКП в основном разрабатывал ОК для городских, зоновых и магистральных линий связи, их главным заказчиком было Минсвязи СССР. ОКБКП разрабатывал внутриобъектовые и бортовые кабели. Оба этих предприятия имели опытное производство на своих территориях и, кроме того, промышленный выпуск ОК осваивал опытный завод ВНИИКП в Подольске, завод “Электропровод” в Москве, завод “Севкабель” в С.-Петербурге, завод “Ташкенткабель”, завод “Одессакабель” и некоторые другие [5].

Первым ОК для городских линий связи, освоенным в серийном производстве на ОЗ ВНИИКП в 1985-86 годах был ОК-50 (“Каштан”). Oн имел 4-8 волокон “кварц-полимер”, работал на длине волны 0,85 мкм, вносил затухание 3-5 дБ/км, имел широкополосность 250-500 Мгц/км.

Следующей серийной разработкой ВНИИКП в 1987 году был кабель ОЗКГ-1 (“Калибр”) для зоновых линий связи первого поколения. Кабель использовал градиентные волокна на длине волны 1,3 мкм, имел затухание 0,7-1,5 дБ/км, кроме 4 (8) волокон предусматривались 4 медные жилы для дистанционного питания линейного оборудования. Конструктивно кабель содержал центральный профильный элемент и свободно располагающиеся в пазах сердечника волокна. Укладка ОВ осуществлялась одновременно с закруткой профилированного сердечника и введением гидрофобного заполнения. Выполненный по этой технологии кабель поставлялся на линию Ленинград-Сосновый бор.

Последующие разработки ВНИИКП на основе ОМ-волокон могли использоваться как для зоновых так и для магистральных линий. Таким был кабель ОМЗКГ-10 (“Калибр-4”), освоенный в серийном производстве в 1988 году. ОМ-волокно работало на длине волны 1,3 мкм, имело затухание не более 0,7 дБ/км, дисперсию до 3,5 пс/нм* км. Кабель предназначался для прокладки в грунты любых категорий и в воде при пересечении болот и рек. Такой кабель поставлялся с 1989 года на строительство линии Ленинград – Минск.

К концу 1990 г. было разработано второе поколении ОК: городские с ОМ- и ММ-волокнами на длине волны 1,3 мкм с затуханием до 0,7 дБ/км и кабели дальней связи на длине волны 1,55 мкм с затуханием до 0,3 дБ/км (марки ОКЛ). Кабели ОКЛ были поставлены в 1990 году на строительство линии Минск – Смолевичи.

К настоящему времени оптическое волокно оказалось той средой передачи, которая смогла справиться с огромными потоками информации, представленными на рисунке 1.1.

Практическая реализация сверхскоростных ВОЛС и систем на их основе связана с решением целого ряда научных и инженерно-технических проблем. Среди них особое место занимает освоение технологии волнового уплотнения (DWDM) и солитонной оптической связи.

По существу, ВОСП содержат функциональные узлы, присущие любым радиотехническим системам связи. Более того, при формировании сигналов, в принципе, возможно использование тех же разнообразных способов кодирования и видов модуляции, которые известны в радиотехническом диапазоне. Однако ряд особенностей оптического диапазона и используемого в нем элементного базиса накладывают свои ограничения на реализационные возможности ВОСП или приводят к техническим решениям, отличным от традиционных в технике связи.

Волоконно-оптической системой передачи называется совокупность активных и пассивных устройств, предназначаемых для передачи информации на расстояние по оптическим волокнам (ОВ) с помощью оптических волн и сигналов. Другими словами, ВОСП – это совокупность оптических устройств и оптических линий передачи для создания, обработки и передачи оптических сигналов. При этом оптическим сигналом служит модулированное оптическое излучение лазера или светодиода.

На рисунке 1.2 представлены основные компоненты такой системы.

Рисунок 1.2 – Структурная схема волоконно-оптической системы передач

Передатчик преобразует электрические сигналы в световые. Данное преобразование выполняет источник, представляющий собой либо светоизлучающий, либо лазерный диод. Электронная схема управления преобразует входной сигнал в сигнал определенной формы, необходимой для управления источником.

Волоконно-оптический кабель – среда, по которой распространяется световой сигнал. Кабель состоит из оптического волокна и защитных оболочек.

Приемник предназначен для приема светового сигнала и его обратного преобразования в электрические сигналы. Его основными частями являются оптический детектор, непосредственно выполняющий функцию преобразования сигнала.

Соединители (коннекторы) предназначены для подключения волокна к источнику, оптическому детектору и для соединения волокон между собой.

В настоящее время при организации связи по волоконно-оптическим линиям связи предпочтение отдается цифровым системам передачи (ЦСП) с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), что обусловлено помимо общих преимуществ ЦСП по сравнению с аналоговыми системами передачи (АСП) особенностью работы и построения ВОСП. Это связано с высоким уровнем шумов фотодиодов, которые используются в качестве приемников оптического излучения. Для получения необходимого качества передачи информации с помощью АСП требуются специальные методы приема и обработки аналоговых оптических сигналов. ЦСП обеспечивает требуемое качество передачи информации при отношении сигнал-помеха на 30...40 дБм меньше, чем АСП. Поэтому реализация ВОСП с использованием ЦСП намного проще по сравнению с АСП.

В ВОСП используется приграничный к инфракрасному диапазон длин волн от 800 до 1600 нм, при этом предпочтительными являются длины волн 850, 1300 и 1550 нм.

Анализируя состояние и развитие телекоммуникаций в мире, можно отметить устойчивый рост объемов прокладки волоконно-оптического кабеля (ВОК) в мире, ввод в эксплуатацию новых и усовершенствование существующих волоконно-оптических систем и, как следствие, рост объемов производства и продаж ВОК.

Динамика роста продаж ВОК представлена на рисунке 1.3.

Доля различных типов ВОК в мировой торговле приведена на
рисунке 1.4.

В таблице 1.1 представлены данные по фактическому производству оптических волокон в России.

Стабильный рост производства оптических кабелей в России, при общем спаде производства кабелей связи, подтверждает мировые тенденции. Однако общий объем российского производства и рынка ничтожно мал в сравнении с мировыми показателями. В таблице 1.2 представлены объемы импорта оптических кабелей в России в тыс. долларов США.

Несмотря на решение “Ростелекома” использовать для прокладки только отечественные оптические кабели, другие потребители – “Газтелеком”, РАО ЕЭС предпочитают использовать импортные оптические кабели.

По прогнозам ВНИИКП предполагается, что с 2004 года потребление волоконно-оптических кабелей должно быть не менее 1400 тыс. км./год в одноволоконном исчислении.

В таблице П.1 Приложения 1 приведены основные российские производители оптических кабелей, обеспечивающие до 80% выпуска.

Волоконно-оптические коммуникации имеют ряд преимуществ по сравнению с электронными системами, использующими передающие среды на металлической основе. Среди них можно указать следующие.

Широкая полоса пропускания – обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей – около 10¹⁴ Гц, которая обеспечивает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания – одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или другой средой передачи информации.

Малое затухание оптического сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественное и зарубежное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью более 100 км.

Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания за счет использования различных способов модуляции сигналов при малой избыточности их кодирования.

Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, то оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередач, электродвигательные установки и т.д.).

Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность.

Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучают в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи.

Гальваническая развязка. Это преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве.

Взрыво-пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сетей связи на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

Экономичность. Волокно изготовляется из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенная в природе и является, в отличие от меди, недорогим материалом. В настоящее время стоимость оптического волокна и медной пары соотносятся как 2:5.

Длительный срок эксплуатации. В настоящее время срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений стандартов приемо-передающих систем.

Возможность подачи электропитания. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля и используется только для передачи информационных сигналов. Однако в некоторых случаях требуется подать электропитание на узел информационной волоконно-оптической сети. В этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медными проводниками. Такие кабели нашли широкое применение как у нас в стране, так и за рубежом.

Указанные выше достоинства оптического волокна как среды для передачи информационных сигналов позволяет сформулировать следующие преимущества волоконно-оптических систем связи.

В волоконно-оптических системах связи передаваемые сигналы не искажаются ни одной из форм внешних электронных, электромагнитных или радиочастотных помех.

Волоконно-оптическая связь более предпочтительна перед другими видами связи, когда одним из основных требований является безопасность ее работы в детонирующих, воспламеняющихся или электронебезопасных средах и условиях.

Волоконно-оптические системы связи идеально подходят для передачи данных в цифровых вычислительных системах, цифровой телефонии и видеовещательных системах, которые требуют использования новых физических явлений и принципов для развития и улучшения характеристик систем передачи.

Волоконно-оптические системы имеют также и недостатки, к которым в основном относятся дороговизна прецизионного монтажного оборудования, относительно высокая стоимость лазерных источников излучения и требования специальной защиты волокна. Однако преимущества от применения волоконно-оптических линий связи настолько значительны, что несмотря на перечисленные недостатки дальнейшие перспективы развития технологий ВОЛС в информационных сетях более чем очевидны.

1.Охарактеризуйте основные этапы развития волоконной оптики.

2.Из первых букв какой фразы составлено слово “Лазер”?

3.Каковы темпы роста скорости передачи в сетях за последние десятилетия?

4.Как называется частица света?

5.Из каких основных компонентов состоит волоконно-оптическая система передачи?

6.Какие длины волн используются в волоконно-оптических системах передачи?

7.В чем заключаются преимущества и недостатки использования оптических волокон в системах связи?

8.Какая динамика роста продаж волоконно-оптических кабелей?

9.Какая доля различных типов волоконно-оптических кабелей в мировой торговле?

10.Какие объемы производства оптических кабелей в России?

11.Перечислите основные российские предприятия, обеспечивающие порядка 80% выпуска оптических кабелей.