Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) – Раздел 5.5 Сети связи

Основные понятия и области применения волс

Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) – это вид системы передачи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием «оптическое волокно».

Волс – это информационная сеть, связующими элементами между узлами которой являются волоконно-оптические линии связи. Технологии Волс помимо вопросов волоконной оптики охватывают также вопросы, касающиеся электронного передающего оборудования, его стандартизации, протоколов передачи, вопросы топологии сети и общие вопросы построения сетей.

ВОЛС в основном используются при построении объектов, в которых монтаж СКС  должен объединить многоэтажное здание или здание большой протяженности, а также при объединении территориально-разрозненных зданий.

Структурная схема ВОЛС, применяемой для создания подсистемы внешних магистралей, изображена на рисунке.

1920-1956: возможность передачи изображения через оптические трубки

В 20-х годах прошлого столетия экспериментаторами Кларенсом Хаснеллом (Clarence Hasnell) и Джоном Бердом (John Berd) была продемонстрирована возможность передачи изображения через оптические трубки. Этот принцип использовался Генрихом Ламмом (Heinrich Lamm) для медицинского обследования пациентов.

Только в 1952 году индийский физик Нариндер Сингх Капани (Narinder Singh Kapany) провел серию собственных экспериментов, которые и привели к изобретению оптоволокна. Фактически им был создан тот самый жгут из стеклянных нитей, причем оболочка и сердцевина были сделаны из волокон с разными показателями преломления.

Оболочка фактически служила зеркалом, а сердцевина была более прозрачной – так удалось решить проблему быстрого рассеивания. Если ранее луч не доходил да конца оптической нити, и невозможно было использовать такое средство передачи на длительных расстояниях, то теперь проблема была решена.

1970: изобретение оптоволокна

Изобретение в 1970 году специалистами компании Corning оптоволокна, позволившего без ретрансляторов продублировать на то же расстояние систему передачи данных телефонного сигнала по медному проводу, принято считать переломным моментом в истории развития оптоволоконных технологий.

Разработчикам удалось создать проводник, который способен сохранять не менее одного процента мощности оптического сигнала на расстоянии одного километра. По нынешним меркам это достаточно скромное достижение, а тогда, без малого 40 лет назад, — необходимое условие для того, чтобы развивать новый вид проводной связи.

Первоначально оптоволокно было многофазным, то есть могло передавать сразу сотни световых фаз. Причём повышенный диаметр сердцевины волокна позволял использовать недорогие оптические передатчики и коннекторы. Значительно позже стали применять волокно большей производительности, по которому можно было транслировать в оптической среде лишь одну фазу.

Самым востребованным сегодня является однофазное волокно с нулевым смещением длины волны. Начиная с 1983 года оно занимает ведущее положение среди продуктов оптоволоконной индустрии, доказав свою работоспособность на десятках миллионов километров.

2020: в итмо модернизировали оптоволокно и оптимизировали эффективность передачи данных

22 октября 2020 года стало известно о том, что специалисты Университета ИТМО модернизировали оптоволокно и оптимизировали эффективность передачи данных. С помощью технологии захвата света удалось избавиться от «слепых зон», которые возникали при больших углах падения.

«Прокаченное» оптоволокно можно использовать для улучшения изображения эндоскопии и лапароскопии, квантовых технологий и оптоволоконных датчиков. Концепция предложенной учеными разработки в 2020 году попала на обложку октябрьского номера журнала ACS Photonics. Подробнее здесь.

2021: установлен новый рекорд по скорости передачи данных — 319 тбит/с

В середине июня 2021 года, появилась новая технология, разработанная инженерами японского Национального института информационных и коммуникационных технологий (NICT), при которой фильм скачивается за 28-ю долю секунды. Это новый рекорд скорости передачи данных.

По оптическому кабелю длиной более 3000 км команда достигла скорости передачи данных в 319 терабит в секунду (далее Тбит/с). Это не только побило предыдущий рекорд в 178 Тбит/с, но и еще совместимо с существующей инфраструктурой, что означает, что ее можно относительно легко модернизировать уже в ближайшие годы.

Новый рекорд был установлен группой ученых и инженеров под руководством физика Бенджамина Путтнема из японского Национального института информационных и коммуникационных технологий (NICT) и основывается на результатах предыдущей работы, в которой участвовал институт, — достижении скорости 172 Тбит/с, о котором было объявлено в прошлом году.

В этом достижении использовалось соединенное трехжильное оптическое волокно — технология, при которой данные передаются по 3 оптоволоконным трубкам, а не по 1, как это принято в настоящее время, это необходимо для того, чтобы уменьшить искажение сигнала на больших расстояниях. Скорость в 319 Тбит/с, использовала аналогичную технологию, но с 4 ядрами.

Данные передаются с помощью технологии, называемой мультиплексированием с разделением по длине волны. Она передается с помощью лазера, который разделяет сигнал на 552 канала и передает его по 4 жилам оптического волокна.

Через 70-км. интервалы вдоль волокна усилители повышают силу сигнала, чтобы потери при передаче на большие расстояния были, как можно меньше. Эти усилители представляют собой два новых типа, легированные редкоземельными элементами тулием и эрбием.

В целом, средняя скорость передачи данных на канал составила около 145 гигабит в секунду (далее Гб/сек), для каждого ядра и около 580 Гб/сек, для всех 4 ядер вместе взятых. Рекордная скорость в 319 Тбит/с, была достигнута при максимальных 552 волновых каналах.

Оболочка для четырех сердцевин оптического волокна вместе имеет тот же диаметр, что и стандартное одножильное оптическое волокно, что «является привлекательным для раннего внедрения SDM-волокон в высокопроизводительных и междугородных линиях связи, поскольку данная технология совместима с традиционной кабельной инфраструктурой и ожидается, что механическая надежность будет сопоставима с одномодовыми волокнами», — отметили сами исследователи из института.

Сам доклад группы был представлен на Международной конференции по оптико-волоконным коммуникациям в июне 2021 года, но команда планирует продолжить работу над своей системой передачи данных на большие расстояния, чтобы попытаться увеличить как пропускную способность, так и дальность ее передачи.[1][2]

Военная промышленность

Достоверно известна история шествия военной промышленности США, опубликованной в Монмаут Месседж. В 1958 году менеджер по кабельному хозяйству форта Монмаут (Сигнал Корпс Лабс армии Соединённых Штатов) рапортовал о вреде молний, осадков. Чиновник потревожил исследователя Сэма Ди Вита, попросив найти замену зеленеющей меди.

Жарким сентябрём 1959 Ди Вита спросил лейтенанта второго ранга Ричарда Штурцебехера, известна ли тому формула стекла, способного передавать оптический сигнал. Ответ содержал сведения, касающиеся оксида кремния – пробы на базе Университета Альфреда. Измеряя коэффициент рефракции материалов микроскопом, Ричард нажил головную боль.

60-70% стеклянная пудра свободно пропускала лучезарный свет, раздражая глаза. Держа в уме необходимость получения чистейшего стекла, Штурцебехер изучал современные методики производства при помощи хлорида кремния IV. Ди Вита нашёл материал пригодным, решив предоставить правительству переговоры со стеклодувами компании Корнинг.

Волоконно-оптические приёмопередатчики

Чтобы передать данные через оптические каналы, сигналы должны быть преобразованы из электрического вида в оптический, переданы по линии связи и затем в приёмнике преобразованы обратно в электрический вид. Эти преобразования происходят в устройстве приёмопередатчика, который содержит электронные блоки наряду с оптическими компонентами.

Широко используемый в технике передач мультиплексор с разделением времени позволяет увеличить скорость передачи до 10 Гб/сек. Современные быстродействующие волоконно-оптические системы предлагают следующие стандарты скорости передач.

Новые методы мультиплексного разделения длины волны или спектральное уплотнение дают возможность увеличить плотность передачи данных. Для этого многочисленные мультиплексные потоки информации посылаются по одному оптоволоконному каналу с использованием передачи каждого потока на разных длинах волны.

Волс – классификация, разновидности, конструкция

Ключевая составляющая в ВОЛС всегда – именно сам оптический кабель. А, помимо него, сеть включает различные компоненты, чтобы усиливать, фильтровать, защищать или изменять сигнал – в зависимости от того, куда и с какой целью прокладывается кабель. Соответственно этому они и классифицируются.

Различают следующие виды таких кабелей для волоконно-оптических линий связи:

• Оптический кабель для внутреннего монтажа.

• Для размещения в кабельные каналы (подвиды — без брони и бронированный).

• Для размещения в грунте (иначе говоря, подземный).

• Подвесной (с тросом или без).

• Кабель, прокладываемый под водой.

ВАЖНО. Проще всего устроен кабель для внутреннего монтажа и обычный без брони. Наиболее сложно устроены подводный и подземный.

Ниже подробнее рассматривается каждый вид.

Для внутреннего монтажа кабели подразделяются в свою очередь на абонентские, которые нужно протянуть для конкретного клиента, и распределительные, с помощью которых создаётся сеть.

Такие кабели включают в себя: оптоволокно, защитный слой, силовую часть конструкции (скажем, трос). Также важно, чтобы они были устойчивы к огню и не выделяли дыма. Оболочка обязательно должна быть полиуретановой и ни в коем случае — полиэтиленовой. Важны небольшой вес, малая толщина и способность гнуться. Пригодится и защищённость против воды.

В помещениях обычно провода кладутся недалеко, так что вопросы затухания сигнала и эффективности передачи не рассматриваются. Количество оптоволокна в кабелях — не более 12. Есть гибридные варианты, в которые включена витая пара.

Далее о вариантах, монтирующихся в кабельные каналы.

Первый вариант — без брони — предполагает, что отсутствуют физические воздействия извне.

Обычно это бывает в тоннелях и под домами.

Кабель кладется в полиэтиленовых трубах, особенной лебедкой или ручным способом. Обязательно должен быть гидрофобный наполнитель, чтобы защитить от жидкости.

Второй вариант — с бронёй — допускает наличие физических воздействий снаружи, скажем, растягивающих.

Броня бывает разной.

Например, вариант в виде ленты подходит, когда нет влияния агрессивных веществ. Если такие влияния возможны, скажем, на речном дне или в земле — лучше использовать броню из проволоки.

Обычно броня состоит из гофрированной или гладкой стальной трубы, имеющая толщину стенок в четверть миллиметра. Гофрирование необходимо обязательно, т. к. защищает волокно от грызунов и повышает возможность кабеля гнуться.

Теперь о кабеле, который кладётся в почву. Применяемая броня — чаще проволочная; значительно реже выбирается вариант с усиленной ленточной бронёй, но он оказался куда менее востребованным.

Когда волокно кладётся в землю, используют кабелеукладчик.

Если прокладывание в грунт выполняется в холоде, а температура минус 10 градусов, то кабель нужно перед этим погреть.

Если почва мокрая, то нужен кабель с герметичным оптоволокном в трубке из металла, проволочная броня предварительно обрабатывается специальным составом для усиленного сопротивления влаге. Мастера рассчитывают все, что нужно, по укладке кабеля, а именно возможные растяжения, нагрузки и т. д., чтобы избежать его повреждений через какое-то время и порчи кабеля.

Броня влияет на максимум возможной нагрузки при растяжении. Оптоволокно с проволочной бронёй предполагает максимум нагрузки в 80 кН, а с ленточной же — не превышающей 2,7 кН.

Оптоволоконный, подвесной, без брони. Эти ставятся на опоры линий питания и связи. Их установка обычно значительно легче, чем в почву.

ВАЖНО! Однако имеется значительное ограничение — при монтаже температура не должна стать ниже -15 по Цельсию.

У них круглое сечение. Так нагрузки от ветра на них меньше. Между опорами расстояние не должно превышать 100 метров.

Конструкция включает специальный силовой элемент, а именно стеклопластик. Подобный силовой элемент позволяет кабелю крайне эффективно выдерживать даже очень значительные нагрузки, которые окажутся направлены вдоль него.

Дополнительно могут быть задействованы силовые элементы как арамидные нити, их используют, если расстояние между столбами менее тысячи метров. У армавидных нитей есть немало неоспоримых преимуществ. Кроме малой массы и прочности, это так называемые диэлектрические свойства. То есть если в кабель ударит молния, ничего страшного не случится.

У таких кабелей различаются сердечники:

• Если сердечник в виде профиля, то кабель хорошо сопротивляется давлению и растягиванию.

• Если кабель с модулем скрученного вида, то он хорошо сопротивляется именно растягиванию.

• Если у сердечника внутри только оптоволокно, то это бюджетный вариант, который неудобно идентифицировать, но имеет некоторую востребованность именно из-за небольшой цены.

Кабели с тросом — самонесущие. Прокладываются по воздуху. Тросы существуют несущие или навивные.

Есть варианты, когда оптоволокно расположено внутри молниезащитного троса. Усиленный профильным сердечником кабель весьма эффективен.

Трос состоит из стальной проволоки в оболочке, соединенной с кабельной оплеткой. Свободное место заливается гидрофобным веществом. Подобные кабели кладутся, если расстояние между столбами не более семидесяти метров. На линию электрического питания прокладывать их нельзя.

Отдельно стоит сказать про вариант укладки под водой — именно из-за особых условий он значительно отличается от других.

Обычно подводные кабели имеют броню, по конструкции различающуюся соответственно глубине прокладки и рельефу дна. Варианты брони — одинарная, усиленная, усиленная двойная или без неё вообще.

На изображении выше цифрами отмечены: 1 – полиэтиленовая изоляция, 2 – покрытие из майлара, 3 – двойная броня из проволоки, 4 – алюминиевая гидроизоляция, 5 – поликарбонат, 6 – трубка в центре, 7 – специальный гидрофобный заполнитель и 8 – само оптоволокно.

Кабельная конструкция

Одним из недостатков оптических волокон, как было указано выше, является их относительная хрупкость, поэтому для защиты применяются различные технологии (в зависимости от сферы применений). Для административных зданий типовой выбор – с плотным буфером (tight buffer) с усилением кевларовыми нитями.

Пара слов о буфере, который первым “защищает” световод (волокно в первичном покрытии) и бывает 3-х видов:

• плотный (tight buffer) – cлой покрытия непосредственно прилегает к световоду, на который нанесено первичное покрытие. Минусы возникают при длительном хранении – буферное покрытие становится хрупким и плохо очищается, что вызвало появление других типов буфера, хотя материалы для плотного буфера развиваются и данный тип оболочки становится универсальным (есть сомнения при выборе буфера );
• полуплотный (semi-tight buffer) – между буфером и световодом с первичным покрытием есть небольшой зазор, который позволяет волокну скользить в нем. Данный тип волокна не годится для коммутационных шнуров и монтажники сразу должны знать, что будут варить полуплотный буфер;
• свободный (loose tube) – между световодом в первичном покрытии и буфером есть большой зазор. Применяется в основном для наружной прокладки, ставить клеевые коннекторы на такие кабели нельзя.

Информация утащена отсюда.

Остальные нюансы – аналогично электрическим кабелям, разве что вопрос с экранированием не стоит 🙂

Если у кабеля есть броня, то на вводе в здание ее нужно заземлить – для этого можно применить ВКР-1 производства «Связьстройдеталь» или Scotchlok 4460-D/FO производства 3M.

Отмечу, что использование специальных лотков для оптических кабелей на мой взгляд похоже на выманивание денег, так как стоят они ровно в 10 раз дороже, чем обычные проволочные.

Как выполняется сварка?

Сварка оптоволокна проходит с применением особого типа сварочных аппаратов.

В его состав входят микроскоп, фиксирующие волокна зажимы, дуговая сварка, камера термоусадки и выполняющий контроль и управление микропроцессор.

Сварка вкратце проходит так:

1. Оболочка снимается стриппером.

2. Проходит подготовка. На концы волокон надевают гильзы и обезжиривают с помощью спирта. Потом эти концы скалываются под нужным углом с применением необходимого инструмента.

3. Волокна кладутся в аппарат.

4. Потом выравниваются. Если управление автоматическое, то и положение волокон ставится автоматически. После подтверждения сварщика волокна сваривают особым аппаратом. Если ручное управление, то все операции вручную выполняет специалист. При сварке волокна плавят дугой электрического тока, соединяют. Потом, чтобы не было внутренних напряжений, прогревается свариваемое масло.

5. Проверяется качество. Автомат сварки выполняет анализ картинки сварочного места с помощью микроскопа. Более точный результат выдаёт рефлектометр.

6. Затем свариваемое место обрабатывается и защищается. Надетая гильза сдвигается на сварку и кладётся в термоусадочную печь на 60 секунд. Потом гильза остывает, кладётся в защитную пластинку муфты и происходит наложение запасного оптоволокна.

Какими бывают типы оптических волокон в волс?

Оптические волокна, применяемые для построения ВОЛС, имеют отличия по световой структуре и материалу, из которого выполнены.

Касаемо материала они бывают: абсолютно стеклянными (то есть и центр, и оптическая оболочка в них стеклянные), абсолютно пластиковые или комбинированные (в таком случае центр там получается из стекла, а оболочка — из пластика).

ВАЖНО. Наиболее хорошая проводящая способность — в стеклянных волокнах. Пластиковый вариант подешевле применяется тогда, когда требования к пропускной способности и параметрам затухания не слишком высокие.

По вариантам путей, которые свет проходит в сердцевине волокна, они делятся на одномодовые и многомодовые.

В одномодовых проходит один луч света. А во многомодовых — от десятков до сотен и тысяч.

Одномодовые волокна сокращённо обозначаются SM. У них небольшой диаметр сердцевины, пропускающий лишь один пучок света.

Многомодовые же сокращённо маркируются ММ. У них диаметр, соответственно, больше и профиль бывает градиентным или ступенчатым.

В ступенчатом варианте моды, или пучки света, проходят по разным траекториям и к концу световода подходят в разное время.

А если профиль градиентный, то задержки разных лучей по времени почти устраняются, и пучки света проходят плавно из-за изменения скорости перемещения света по спиралям.

И одномодовые, и многомодовые волокна, используемые в настоящее время, имеют диаметр в 125 мкм. Толщина первичного защитного буферного в них покрытия — 250 мкм, а вторичного — уже 900.

Чтобы было удобнее работать, у всех волокон оболочку кабелей красят различными цветами.

Кроссы

Для оптических линий разъемное соединение выглядит не как “вилка”-“розетка”, а “коннектор” – соединитель – “коннектор”, где соединитель позиционирует разъемы между собой.

Соединители бывают на один разъем (simplex) FC/ST/SC/LC/MTP/MPO, два (duplex) SC/LC или четыре (quad) LC. Стоит обратить внимание, что соединители duplex-LC (DLC) выпускают в форм-факторе под отверстие simpex SC. Цветовая маркировка – аналогичная разъемам.

Кроссы представляют, как правило представляют из себя металлический ящик (в том или ином виде), в который вводится кабель, разделывается в нем и “наружу” обслуживаемой области уже выходят соединители. Обслуживаемая область может находиться внутри корпуса или снаружи.

Это достаточно примитивные устройства, если не требуется “супер”-высокая плотность (кроссы на несколько тысяч соединений). Кроссы могут поставляться “под ключ” (т.е. комплектоваться сплайс-кассетой с держателем КДЗС, сами КДЗС, пигтейлы и соединители) или только корпус со сплайс-кассетой – будьте внимательнее при заказе.

Области применения и классификация волоконно-оптических кабелей (вок)

Волоконно-оптические кабели, применяемые при проектировании и 

, предназначены для передачи оптических сигналов внутри зданий и между ними. На их основе могут быть реализованы все три подсистемы СКС, хотя в горизонталь 

В зависимости от основной области применения волоконно-оптические кабели подразделяются на три основных вида:

• кабели внешней прокладки (outdoor cables);
• кабели внутренней прокладки (indoor cables);
• кабели для шнуров.

Кабели внешней прокладки используются при создании подсистемы внешних   магистралей и связывают между собой отдельные здания. Основной областью использования кабелей внутренней прокладки является организация внутренней магистрали здания, тогда как кабели для шнуров предназначены в основном для изготовления соединительных и коммутационных шнуров, а также для выполнения горизонтальной разводки при реализации проектов класса «fiber to the desk» (волокно до рабочего места) и «fiber to the room» (волокно до комнаты). Общую классификацию оптических кабелей СКС можно представить в виде как показано на рисунке.

Область применения

ВАЖНО! Сейчас ВОЛС (ВОЛП) весьма эффективно вытесняют «классическую» кабельную проводку из-за намного более хороших характеристик, а конкретно — улучшенной пропускной способности, большей сопротивляемости негативным и вредным воздействиям окружающей среды, меньшего уровня затухания сигнала и т. п.

При этом на уровне межконтинентальных и магистральных линий передачи сигналов оптоволокно уже сейчас значительно вытесняет конкурентов, а в подсистемах внутренних магистралей ВОЛП ещё применяется вместе с витой парой.

Чтобы транслировать сигнал, в ВОЛС используются волны в оптическом (наиболее часто в ближнем инфракрасном) диапазоне.

Ключевая сфера использования ВОЛС — это сети передачи информационных сигналов — вычислительные, видеонаблюдения, телекоммуникационные системы контроля доступа и так далее.

Говоря попросту – ВОЛС помогают локально объединять рабочие места, обеспечить качественную работу Интернета и телефонии и т. д. и т. п.

Оконцевание волокон кабеля

Для оконцевания волокон кабеля существует два метода:

• сварка: к оконечиваемому волокну кабеля с помощью специального аппарата “сварочника” приваривается небольшой кусочек кабеля с одним разъемом, изготовленному в промышленных условиях (так называемый пигтейл, от англ. pig-tail). Место соединения защищается термоусаживаемой трубкой с металлическим стержнем (КДЗС, типовой вариант сейчас – 40 мм). КДЗС устанавливаются в специальные держатели, которые в свою очередь монтируются в сплайс-кассету и потом в оптические полки (кроссы);
• непосредственного оконцевания: подготовленное волокно вводится в специальный разъем и фиксируется. Т.е. не требуется установки КДЗС, а сплайс-кассету можно использовать для укладки волокон.

Сварка дает более хорошие результаты, к тому же дешевле чем коннекторы непосредственного оконцевания. Поэтому второй метод занял нишу “полевого монтажа”, т.е. когда нужно отремонтировать существующую линию, а “сварочник” уехал на другой объект или можно “заложить” в проект, если количество разъемов под разделку невелико или он находится “у черта на куличках” (весь нехитрый необходимый инструмент включить в спецификацию, хоть так делать нехорошо).

Методом сварки волокон также соединяются оптические муфты (которые нужно по возможности избегать). Также существуют механические сплайсы (например, Fibrlok производства 3M), которые обеспечивают чуть худшее соединение чем сварка, ну и стоят дороже (при небольшом объеме соединений – вполне нормальное решение).

Немного о коннекторах (они же разъемы). В white-paper от Cisco нашел вот такую замечательную табличку:

Как видно самыми хорошими характеристиками обладает разъем LC, к тому же он наиболее компактный (не считая многоволоконных разъемов типа MTP/MPO, которые в таблице указаны как MT Array). Однако, именно компактность не всегда удобна (например, если шкафчик с оптическим кроссом стоит на улице, а погода как всегда бывает – подкачала).

Отмечу, что указанны затухания весьма условно – все зависит от производителя коннекторов.

В табличку не попал еще один тип разъема – MTRJ, но он в отличии от остальных встречается крайне редко (фактически естественно вымирает), хотя обеспечивает весьма неплохие характеристики по затуханию сигнала (на уровне разъема LC).

И конечно же стоит упомянуть о способе полировки кончика коннектора (ферула):

И если полировка PC/UPC еще совместима между собой, то коннекторы с APC (от Angled Physical Contact) и PC/UPC не стыкуются между собой, что приводит к большим потерям. Поэтому разъемы с APC имеют отличительный зеленый цвет, тогда как одномодовые – голубые, а многомодовые – бежевые.

Передатчик

Типичным формирователем луча выступают полупроводниковые светодиоды, включая твердотельные лазеры. Ширина спектра сигнала, излучаемого типичным p-n-переходом, составляет 30-60 нм. КПД первых твердотельных устройств едва достигал 1%. Основой связных светодиодов чаще выступает структура индий-галлий-мышьяк-фосфор.

Излучая более низкую частоту (1,3 мкм), приборы обеспечивают значительное рассеивание спектра. Результирующая дисперсия сильно ограничивает битрейт (10-100 Мбит/с). Поэтому светодиоды пригодны для построения локальных сетевых ресурсов (дистанция 2-3 км).

Частотное деление с мультиплексированием осуществляется многочастотными диодами. Сегодня несовершенные полупроводниковые структуры активно вытесняются вертикальными излучающими лазерами, значительно улучшающими спектральные характеристики. повышающими скорость.

Малое время рекомбинации зарядов позволяет легко модулировать излучение высокими частотами питающего тока. Помимо вертикальных применяют:

1. Лазеры с обратной связью.
2. Резонаторы Фабри-Перо.

Высокие битрейты дальних линий связи достигаются применением внешних модуляторов: электро-абсорбционные, интерферометры Маха – Цендера. Внешние системы устраняют необходимость применения линейной частотной модуляции напряжением питания. Обрезанный спектр дискретного сигнала передаётся дальше. Дополнительно разработаны другие методики кодирования несущей:

• Квадратурная фазовая манипуляция.
• Ортогональное мультиплексирование с частотным разделением.
• Амплитудная квадратурная модуляция.

Передатчик сформирован цифро-аналоговым преобразователем, драйверным усилителем, модулятором Маха-Цендера. Применение высоких форматов модуляции (выше 4 квадратур), битрейтов (выше 32 Гбод) снижает эффективность ввиду наличия паразитных эффектов. Линейные погрешности сформированы цифро-аналоговым преобразователем, неидеальностью системы синхронизации.

Процедуру осуществляют цифровые сигнальные процессоры. Старые методики компенсировали лишь линейную составляющую. Беренджер выразил модулятор рядами Вина, ЦАП и усилитель смоделировал усечёнными, времянезависимыми рядами Вольтерры. Кхана предлагает использовать полиномиальную модель передатчика вдобавок.

Каждый раз коэффициенты рядов находят, используя архитектуру непрямого изучения. Дутель записал множество распространённых вариантов. Фазная перекрёстная корреляция и квадратурные поля имитируют несовершенство систем синхронизации. Аналогично компенсируются нелинейные эффекты.

Передача света стеклом: история

Явление рефракции, делающее возможной тропосферную связь, нелюбимо учениками. Сложные формулы, неинтересные примеры убивают любовь студента к знаниям. Идею световода родили далёкие 1840-е годы: Дэниэл Колладон, Жак Бабинэ (Париж) пытались приукрасить собственные лекции заманчивыми, наглядными экспериментами.

Преподаватели средневековой Европы плохо зарабатывали, поэтому изрядный приток студентов, несущих деньги, выглядел желанной перспективой. Лекторы заманивали публику любыми способами. Некий Джон Тиндал воспользовался идеей 12 лет спустя, гораздо позже выпустив книгу (1870), рассматривающую законы оптики:

• Свет проходит границу раздела воздух-вода, наблюдается рефракция луча относительно перпендикуляра. Если угол касания луча к ортогональной линии превышает 48 градусов, фотоны перестают покидать жидкость. Энергия полностью отражается назад. Предел назовём лимитирующим углом среды. Водный равен 48 градусов 27 минут, у силикатного стекла – 38 градусов 41 минута, алмаза – 23 градуса 42 минуты.

Зарождение XIX столетия принесло линии Петербург – Варшава световой телеграф протяжённостью 1200 км. Регенерация операторами послания проводилась каждые 40 км. Сообщение шло несколько часов, мешали погода, видимость. Появление радиосвязи вытеснило старые методики.

1. 1854 – Джон Тиндалл демонстрирует Королевскому обществу (Великобритания) возможность изгибания траектории распространения света водным потоком.
2. 1880 – Александр Грэхэм Белл изобретает Фотофон, передающий голос посредством луча. Изобретатель ловил солнечного зайчика, заставлял зеркало вибрировать в такт звучанию речи. Приёмный детектор декодировал послание, динамик передавал заложенное сообщение. Пасмурные дни заставили Белла забросить исследования, занявшись более практическими делами – наживанием прибыли.
3. Параллельно Вильям Вилер изобрёл систему световых труб, снабжённых отражающим чулком. Каналы разносили свет дуговой лампы всему дому.
4. 1888 – Медицинская бригада Рота и Ройса (Вена) придумала освещать гнутыми стеклянными стержнями полости человеческого тела.
5. 1895 – французский инженер, Генри Сэнт-Рене, создал группу витиевато закруглённых кремниевых волосков, осуществляя проект телевизионного экрана.
6. 1898 – американец Дэвид Смит патентует гнутый стеклянный стержень для использования хирургами.

Идею Генри Сэнт-Рене продолжили поселенцы Нового света (1920-е), задумавшие улучшить телевидение. Кларенс Ханселл, Джон Логи Бэйрд стали пионерами. Десять лет спустя (1930) студент-медик Хайнрих Ламм доказал возможность передачи стеклянными направляющими изображения.

Преимущества волс

• Передача информации по ВОЛС имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю. Стремительное внедрение в информационные сети Волс является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне.

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

• Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное 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 до 100 км и более.

• Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с малой ибыточностью кода.

• Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.

• Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см, может быть заменен одним волокном с диаметром 0,1 см. Если волокно «одеть» в множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого ВОК будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.

• Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить «взламываемый» канал связи и подать сигнал тревоги. Сенсорные системы, использующие интерференционные эффекты распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации) имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Такие системы особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.

• Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать электрических «земельных» петель, которые могут возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например на разных этажах. При этом может возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование. Для волокна этой проблемы просто нет.

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

• Экономичность ВОК. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличии от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. При этом ВОК позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК. При использовании солитонных систем передачи достигнуты дальности в 4000 км без регенерации (то есть только с использованием оптических усилителей на промежуточных узлах) при скорости передачи выше 10 Гбит/с.

• Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако, благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающих систем.

• Удаленное электропитание. В некоторых случаях требуется удаленное электропитание узла информационной сети. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля. Однако, в этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медным проводящим элементом. Такой кабель широко используется как в России, так и за рубежом.

Преимущества и недостатки

Какие же основные преимущества даруют оптические линии, допустим, перед обычными медными проводами. Во-первых, маленькие масса и габариты; пожаробезопасность (что немаловажно). Во-вторых, фантастическая пропускная способность; на текущий момент пока ничто не может сравниться.

В-третьих, информационная безопасность, без непосредственного физического вмешательства невозможно, например, подслушивать или вносить искажения не представляется возможным. В-четвёртых, мощность сигнала, точнее его слабое затухание; в зависимости от оборудования, усилители могут располагаться через каждые 120 км.

Естественно, у оптических линий имеются и минусы. Во-первых, хрупкость самих кабелей, они очень ломкие и нужно соблюдать большую осторожность при их укладке. Во-вторых, сложность соединения образовавшихся разрывов. В-третьих, сложность изготовления оборудования, а также преобразования самого сигнала.

В принципе даже этой информации, выложенной в этой небольшой статье, уже будет достаточно, чтобы получить представление о волоконно-оптической связи.

Принцип действия

Каковы причины резкого роста популярности высокочастотных сигналов? Современные учебники упоминают снижение потребности в регенерации сигнала, стоимости, повышение ёмкости каналов. Советские инженеры вызнали, рассуждая иначе: медный кабель, броня, экран берут 50% мирового производства меди, 25% – свинца.

Недостаточно известный факт стал главной причины оставления спонсорами Николы Теслы, проекта башни Ворденклифф (название дала фамилия мецената, пожертвовавшего землю). Известный сербский учёный возжелал передавать информацию, энергию беспроводным путём, напугав немало локальных хозяев медеплавильных заводов. 80 лет спустя картина изменилась кардинально: люди осознали необходимость сбережения цветных металлов.

Материалом изготовления волокна служит… стекло. Обычный силикат, сдобренный изрядной долей модифицирующих свойства полимеров. Советские учебники, помимо указанных причин популярности новой технологии, называют:

1. Малое затухание сигналов, явившееся причиной снижения потребности в регенерации.
2. Отсутствие искрения, следовательно, пожаробезопасность, нулевая взрывоопасность.
3. Невозможность короткого замыкания, пониженная потребность в обслуживании.
4. Нечувствительность к электромагнитным помехам.
5. Низкий вес, сравнительно малые габариты.

Первоначально оптоволоконные линии должны были объединить крупные магистрали: меж городами, пригородами, АТС. Эксперты СССР назвали кабельную революцию сродни появлению твердотельной электроники. Развитие технологии позволило построить сети, лишённые токов утечки, перекрёстных помех.

Участок длиной сотню км лишён активных методов регенерации сигнала. Бухта одномодового кабеля обычно составляет 12 км, многомодового – 4 км. Последнюю милю чаще покрывают медью. Провайдеры привыкли предназначать оконечные участки индивидуальным пользователям.

Разновидности кабелей

Кабель формируют:

1. Ядро.
2. Оболочка.
3. Защитный кожух.

Волокно реализует полное отражение сигнала. Материалом первых двух компонентов традиционно выступает стекло. Иногда находят дешёвую замену – полимер. Оптические кабели объединяют сплавлением. Выравнивание ядра потребует сноровки. Мультимодовый кабель толщиной свыше 50 мкм паять проще. Две глобальные разновидности различаются количеством мод:

• Мультимодовый снабжён толстым ядром (свыше 50 мкм).
• Одномодовый значительно тоньше (менее 10 мкм).

Парадокс: кабель меньших размеров обеспечивает дальнюю связь. Стоимость четырёхжильного трансатлантического составляет 300 млн. долларов. Сердцевину покрывают светоустойчивым полимером. Журнал Новый учёный (2022) обнародовал опыты научной группы Университета Саутгемптона, покрывших дальность 310 метров… волноводом!

Фотонно-кристаллический фибер

Новая разновидность кабелей образована набором трубок, конфигурация напоминает скруглённые пчелиные соты. Фотонные кристаллы, напоминают природный перламутр, образуя периодические конформации, отличающиеся коэффициентом преломления. Некоторые длины волн внутри таких трубок затухают.

Первая конструкция Йе и Йарива (1978) представлена двумя и более концентрическими слоями разных материалов. Конструкции постоянно дополняются свежими видами. Рассел (1996, автор термина фотонно-кристаллический фибер) представил сотовый набор волокон, двумя годами позже догадались сердцевину заменить пустотой. Достигнутые затухания впечатляют:

1. Полые – 1,2 дБ/км.
2. Сплошные – 0,37 дБ/км.

Технология производства сродни традиционной. Сравнительно толстую заготовку постепенно вытягивают. Выходит волос длиной в километры. Материалы проходят стадию исследований.

Элементы волоконно-оптической линии

Оптические приёмники обнаруживают сигналы, передаваемые по волоконно-оптическому кабелю и преобразовывают его в электрические сигналы, которые затем усиливают и далее восстанавливают их форму, а также синхросигналы. В зависимости от скорости передачи и системной специфики устройства, поток данных может быть преобразован из последовательного вида в параллельный.

Оптический передатчик в волоконно-оптической системе преобразовывает электрическую последовательность данных, поставляемых компонентами системы, в оптический поток данных. Передатчик состоит из параллельно-последовательного преобразователя с синтезатором синхроимпульсов (который зависит от системной установки и скорости передачи информации в битах), драйвера и источника оптического сигнала.

Для оптических систем передачи могут быть использованы различные оптические источники. Например, светоизлучающие диоды часто используются в дешёвых локальных сетях для связи на малое расстояние. Однако, широкая спектральная полоса пропускания и невозможность работы в длинах волны второй и третьей оптических окон, не позволяет использовать светодиод в системах телесвязи.

Усилитель преобразовывает асимметричный ток от фотодиодного датчика в асимметричное напряжение, которое усиливается и преобразуется в дифференциальный сигнал.

• Микросхема cинхронизации и восстановления данных

Эта микросхема должна восстанавливать синхросигналы от полученного потока данных и их тактирование. Схема фазовой автоподстройки частоты, необходимая для восстановления синхроимпульсов, также полностью интегрирована в микросхему синхронизации и не требует внешних контрольных синхроимпульсов.

• Блок преобразования последовательного кода в параллельный

• Параллельно-последовательный преобразователь

Основной его задачей является подача тока смещения и модулирующего тока для прямого модулирования лазерного диода.

• Оптический кабель, состоящий из оптических волокон, находящихся под общей защитной оболочкой.