`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Оптоволоконные кабели

0 
 

Идея использования светового излучения для передачи информации восходит к фотофону Александра Грэхема Белла, который для передачи речи использовал сфокусированный пучок света и систему подвижных зеркал. В отличие от телефона, эта идея не имела коммерческого успеха, и оптические устройства для передачи информации нашли широкое применение только после появления световодов.

Производство волоконных световодов из стекла началось в 50-е годы. В 1958 г. советские ученые В. В. Варгин и Т. И. Вайнберг предположили, что поглощение светового излучения в стекле обусловлено различного рода примесями и что стекло очень высокой чистоты можно использовать как среду передачи сигналов. В 1966 г. сотрудники Standard Telecommunications Laboratories (Великобритания) определили, что при существовавшем уровне развития оптоэлектроники возможно использование длинных световодов в качестве линий связи при условии, что затухание в них не будет превышать 20 дБ/км. В 1970 г. было получено волокно с таким затуханием, а к 80-м годам — с затуханием 0,2 дБ/км.

Оптоволоконные кабели

Постоянно растущая потребность в средствах связи привела к формированию магистральных информационных сетей, в которых используются оптоволоконные кабели, объединяющие системы проводной связи, кабельного телевидения и компьютерные сети.

Преимущества оптического волокна

Поскольку для переноса информации используется световое излучение, а в качестве среды передачи - диэлектрический световод, применение оптоволокна может быть обусловлено следующими преимуществами.

Для диэлектрической среды отсутствует необходимость в заземлении и выполнении других условий электробезопасности. Обеспечивается полная гальваническая развязка оборудования. Поэтому при прокладке оптоволоконных линий в условиях повышенной опасности нет необходимости в соблюдении особых мер предосторожности.

Оптоволоконные кабели

При использовании светового сигнала отсутствует чувствительность к электромагнитным помехам природного и техногенного происхождения, а также нет электромагнитного излучения от линии. Последнее гарантирует конфиденциальность информации и невозможность несанкционированного бесконтактного доступа к ней.

Оптоволоконные кабели

Эти линии отличаются широкополосностью, дают возможность реализовать скорость передачи до десятков гигабит в секунду и имеют небольшое затухание, что, в свою очередь, позволяет осуществлять передачу на большие расстояния (до 50-100 км) без усилителей и ретрансляторов, в которых, наряду с сигналом, происходит усиление шумов и которые вносят в него дополнительные искажения. Кроме того, оптоволоконные линии характеризуются малыми габаритами и весом.

Оптоволоконные кабели

Источники и приемники оптического излучения

Имеется множество различных устройств, которые способны преобразовывать электрические сигналы в световое излучение и наоборот. Но в настоящее время только два типа таких устройств - светодиоды и инжекционные лазеры - генерируют излучение, действительно пригодное для использования в оптоволоконных линиях. Это полупроводниковые устройства с переходами на основе соединений элементов третьей и пятой групп периодической таблицы (например, арсенид галлия или фосфид индия).

Светоизлучающие диоды характеризуются длительным сроком службы, меньшим временным дрейфом параметров, большей линейностью и меньшей температурной зависимостью излучаемой мощности, а также простотой эксплуатации и низкой стоимостью. Излучение возникает в процессе рекомбинации носителей заряда, которые образуются при прохождении тока через диод. Поскольку оно имеет спонтанный характер, то используется только модуляция по интенсивности излучения.

Оптоволоконные кабели

Мощность излучения светодиодов может составлять несколько десятков микроватт, ширина спектра - 200 нм, а ширина диаграммы направленности (ширина пучка) - 120°. Для достижения максимальной эффективности было бы идеально, если бы все излучение от источника поступало в линию. Для светодиодов потери мощности при переходе в линию составляют 10дБ. Кроме того, поскольку излучение не когерентное, т. е. лежит в некотором спектральном диапазоне, то происходит дополнительное искажение передаваемого сигнала (уширение импульсов) за счет различий в распространении разных спектральных составляющих.

Направленность излучения можно улучшить путем применения линз. Но наиболее оптимальное решение для светоизлучающих диодов реализовано в суперлюминесцентных светодиодах, в которых происходит усиление спонтанного излучения за счет волноводного распространения вдоль р-n перехода. Пучок их излучения уже, до 30°, а спектр - 20-80 нм. По своим характеристикам эти диоды занимают промежуточное положение между обычными светодиодами и лазерными.

Когерентное излучение лазеров позволяет использовать модуляцию по параметрам световой волны, например частотную. Кроме того, они характеризуются максимальной для полупроводниковых излучателей мощностью до нескольких сотен милливатт, минимальной шириной спектра и очень узкой направленностью. Поскольку лазерные излучатели отличаются более сложной конструкцией и высокими электрическими нагрузками, то они уступают светодиодам в надежности, удобстве эксплуатации и стоимости. Это определяет их преимущественное применение для осуществления передачи на дальние расстояния в магистральных линиях.

Оптоволоконные кабели

Приемник излучения должен преобразовать оптический сигнал в электрический. Поскольку информационный сигнал содержится в модулированном световом потоке, этот поток должен быть принят как можно полнее и без искажений. Так как рабочая поверхность приемника намного больше сечения световода, потери при переходе излучения в приемник будут намного меньше, чем при переходе от источника в линию.

Для приема излучения могут использоваться фотодиоды, фототранзисторы, p-i-nфотодиоды и лавинные фотодиоды. Это полупроводниковые приборы на основе кремния, германия и соединений элементов третьей и пятой групп.

В обычных фотодиодах формируется ток, зависящий от интенсивности падающего излучения, их отличают хорошая линейность и стабильность работы, малое время отклика, но они не обеспечивают усиления фототока.

Фототранзисторы имеют высокую чувствительность и достаточное усиление, но из-за большой барьерной емкости их частотные характеристики хуже. Граничная частота для лучших образцов достигает 200 MHz.

В p-i-n фотодиодах между слоями с разной проводимостью вводится слой с собственной проводимостью (i область), который при подаче обратного напряжения смещения обедняется свободными носителями, и сильное электрическое поле в нем ускоряет носители, которые образуются в результате поглощения света. Они обладают большей чувствительностью за счет снижения потерь от рекомбинации. Барьерная емкость мала, благодаря чему обеспечиваются приемлемые частотные характеристики (граничная частота - до 1 GHz). Для них требуется небольшое напряжение обратного смещения (5 В и менее), что определяет их преимущественное использование в ЛВС.

Лавинные фотодиоды обладают внутренним усилением и отличаются от p-i-n фотодиодов наличием еще одного дополнительного слоя. При высоких обратных напряжениях смещения (порядка 100 В) в них образуется сильное ускоряющее поле, в котором происходит лавинное размножение носителей, т. е. усиление фототока. Эти приборы характеризуются высокой чувствительностью, большим усилением и высоким быстродействием, однако их использование затруднено сложностью, большими рабочими напряжениями, необходимостью стабилизации напряжений и температур, работой только в режиме усиления слабого сигнала, а также высокой стоимостью.

Основные элементы оптического волокна

Оптическое волокно состоит из тонкого сердечника, светопроводящей области волокна, выполненной из особо чистого стекла, заключенного в оболочку. Значение показателя преломления оболочки меньше, чем сердечника, поэтому свет отражается от его стенок и вынужден двигаться вдоль волокна. Для обозначения волокна используют два элемента - диаметры сердечника и оболочки (некоторые фирмы включают в маркировку третий элемент - диаметр защитного пластикового покрытия). Например, 5 0 / 1 2 5 - это волокно с диаметром сердечника 50 мкм и оболочки 125 мкм. Существуют оптические волокна целиком из пластика или со стеклянным сердечником и пластиковой оболочкой, но они не получили широкого распространения по причине недостаточно оптимальных параметров.

Типы волокна

Существуют два основных типа волокна: одномодовый и многомодовый (т. е. в них распространяются, соответственно, или один, или несколько лучей света - мод). Кроме того, для многомодового волокна можно выделить еще два типа, которые различаются характером изменения коэффициента преломления от оси к поверхности сердечника волокна: со ступенчатым и градиентным изменением коэффициента преломления. В волокне со ступенчатым изменением коэффициента преломления его величина является постоянной для всего объема сердечника, и поэтому на его поверхности происходит рассеивание лучей. Разные лучи будут проходить разные пути (рис. 2), и время прохождения линии для каждого из них будет отличаться. Это явление получило название модовой дисперсии. При распространении в таком волокне прямоугольного импульса сильно растягиваются его фронты, и происходит существенное уширение импульса.

В волокне с градиентным изменением коэффициента преломления его величина плавно уменьшается от максимального значения на оси сердечника, следовательно, волновая скорость распространения плавно нарастает от оси. Поэтому за равные промежутки времени лучи света будут проходить более длинный путь вблизи поверхности и более краткий - вблизи оси волокна (рис. 3). Таким образом, время распространения различных мод уравнивается, т. е. получается периодическая пространственная фокусировка лучей разных мод, следовательно, будет происходить меньшее искажение передаваемого сигнала. Наиболее широко используются градиентные световоды 62,5/ 125, особенно в ЛВС.

Диаметры сердечников волокна и градиентного, и ступенчатого типов могут быть от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров. В сердечниках диаметром меньше 10 мкм, что составляет всего несколько длин волн, будет распространяться только один луч, т. е. одна мода (рис. 4). Искажения сигнала в таких световодах минимальные и определяются хроматической дисперсией, обусловленной зависимостью коэффициента преломления от длины волны при достаточно широкой спектральной полосе излучения источника. Они преимущественно используются в магистральных линиях, особенно в линиях большой протяженности.

Основные характеристики волокна

Следует учитывать два основных фактора, влияющих на качество передачи: широкополосность и затухание сигнала.

Широкополосность является той мерой, которая характеризует скорость передачи информации по волокну для данной длины волны излучения. Разумеется, что величина этой характеристики, которая определяется как произведение частоты на расстояние, должна быть как можно больше. Сущность этого показателя заключается в следующем: если взять, например, волокно со значением широкополосности 200 MHz-км, ТО В нем можно осуществлять передачу сигнала с полосой частот 200 MHz на расстояние в 1 км или с полосой 100 MHz на расстояние 2 км.

Для мультимодовых волокон со ступенчатым изменением коэффициента преломления величина широкополосности составляет 20-30 MHz-км, ДЛЯ ВОЛОКОНсградиентнымот100MHz-кмДО нескольких GHz-км, для одномодовых - сотни GHZ-KM.

Так как затухание является следствием поглощения, отражения и рассеяния, то его величина зависит от длины волны светового излучения, чистоты, коэффициента преломления и размера волокна.

Важнейшим фактором, влияющим на величину затухания, является длина волны излучения. Минимальные значения затухания достигаются, когда длина волны излучения лежит в одной из областей в окрестностях 850, 1300 и 1550 нм, что соответствует инфракрасному излучению (такие области называются окнами прозрачности). Этим и обусловлено преимущественное распространение оборудования, использующего излучение в данных областях. Так, фирма Belden заявляет, что в ее многомодовом волокне размером 50/125 мкм на длине волны 1300нм величина потерь составляет 1дБ/км, а на длине волны 850 нм - менее 3 дБ/км.

Дополнительные потери возникают на микроизгибах. В волокнах со ступенчатым изменением коэффициента преломления их меньше, чем в волокнах с градиентным изменением. Так, одномодовое волокно с низким затуханием способно передавать без ретранслятора до 40 видеоканалов на расстояние 50 км. А волокно из пластика, для которого характерны ступенчатое изменение коэффициента преломления и очень высокое затухание (его обычное значение - 200дБ/км), может применяться только на расстояниях от 50 до 100 м.

Первый уровень защиты волокна

Чтобы изолировать волокно от механических воздействий и предохранить его от повреждений, разработаны два типа защиты первого уровня: свободный буфер и плотный буфер.

В конструкции со свободным буфером волокно заключается в не очень гибкую пластиковую трубку, внутренний диаметр которой значительно превосходит диаметр волокна. Эта трубка обычно заполняется желеобразным веществом. В многожильном кабеле имеются несколько таких трубок, содержащих по одному или несколько волокон, которые совместно с силовыми элементами кабеля (арматурой) позволяют освободить волокна от механических напряжений и уменьшить растяжение и усадку кабеля. Все они могут, в свою очередь, размещаться в заполненной желеобразным веществом трубке, поверх которой располагается наружная оболочка кабеля.

Для таких кабелей нежелательны большое количество изгибов и прокладка по вертикали, поскольку в них возникают микроизгибы и механические напряжения, а также смещение волокон.

В конструкции с плотным буфером защитный слой вокруг волокна в оболочке создается методом выдавливания пластмассы (см. рис. 1). Эта конструкция обладает значительно большей стойкостью к растяжениям, сжатиям и ударам, она допускает изгибы меньшего радиуса (но не менее 20 диаметров волокна). Прокладка такого кабеля осуществляется гораздо легче, и намного проще реализуются соединения. Эти кабели имеют малые диаметры и вес, они огнестойкие, устойчивы к воздействию влаги и различных веществ. В последнее время характерно преимущественное использование кабелей с плотным буфером.

Виды оптоволоконного кабеля

В соответствии с возможными применениями оптические волокна собираются в кабели, в которых обеспечивается более надежная защита от механических повреждений, а также от воздействий окружающей среды, таких как влага, пыль и высокие температуры. Кроме того, кабель предохраняет от таких сильных изгибов волокон, которые привели бы к их разрыву и, следовательно, к утере сигнала.

Оптоволоконный кабель состоит из оптических волокон, силовых элементов (арматуры) и защитных оболочек. Волокна могут собираться в жгуты, которые обычно обмотаны арамидной пряжей и заключены в оболочки. Несколько таких жгутов объединяются в одну или несколько свивок и покрываются одной общей оболочкой, и таким образом получается кабель. Световоды в жгуте различаются по цвету оболочки или по ее цветовой маркировке, что позволяет легко находить нужный, особенно при большой длине кабеля, и избежать ошибок при соединении.

Оптоволоконные кабели

Упрочняющие элементы могут быть в виде жил или прутов цилиндрического или специального профиля, изготовленных, в основном, из кевлара, хотя могут использоваться и другие полимерные материалы, а также сталь или стекловолокно, которые располагаются в центре или по периферии кабеля.

Защитные оболочки изготавливаются преимущественно из полимерных материалов, таких как полиэтилен, поливинилхлорид, фторопласт.

Для применения в различных условиях существует множество конструкций кабеля: для прокладки непосредственно в грунте и канализации; общего назначения; для воздушной прокладки (подвески); многожильные кабели с одним или несколькими жгутами; бронированные и др.

Для прокладки кабелей в перекрытиях разработаны довольно жесткие требования, особенно относящиеся к пожаробезопасности. Поэтому выделяется особый тип кабеля - plenum cables, оболочка которого выполняется из негорючего или малогорючего пластика, при термическом разложении которого не выделяются токсические вещества. Для прокладки в вертикальных коробах, в которых осуществляется разводка по этажам, используется разновидность этого кабеля - riser cables, разработанного с учетом особых требований по нераспространению огня.

Оптоволоконные кабели

Термин «кабель для оконечной разводки» - breakout cable - определяет основное назначение этого многожильного кабеля. Так как отдельные его волокна заключены в собственные защитные оболочки, то их концы могут прокладываться самостоятельно и присоединяются к тому оборудованию, для которого предназначается передача, т. е. они используются для доставки сигналов непосредственно, без панелей соединений. В этих кабелях применяется цветная маркировка для облегчения поиска требуемого волокна. Из-за более мощной упрочняющей оболочки из кевлара эти кабели, как правило, тяжелее и больше по размерам, чем другие с таким же количеством световодов. Они полностью соответствуют требованиям пожаробезопасности. Имеется множество разновидностей этих кабелей, что позволяет подобрать их в соответствии с любыми требованиями. Как правило, это кабели особой конструкции и небольшой длины для применения в локальных сетях, системах передачи данных, видеосистемах и АСУТП.

Следует также упомянуть о гибридных кабелях. Это особый тип кабелей, которые сконструированы как для общего применения, так и специальных целей. Применяются же они в случаях, когда необходимо использование обеих технологий — оптоволоконной и витой пары.

Соединение оптических волокон

В системах телекоммуникации необходимо реализовывать большое количество соединений для разводки сигналов от магистральных линий к конечному потребителю, для подключения разнообразного оборудования и т. д. Для соединения оптоволоконных линий используются специальные наборы инструментов и приспособлений. Соединение световодов должно быть надежным, стойким к внешним воздействиям (ударам, вибрации, перепадам температуры) и не вносить большое затухание.

Соединение выполняется в следующем порядке:

  • удаление защитных оболочек кабеля, защитных оболочек и буфера световода, которые снимаются до размеров, определяемых типом соединения и используемым инструментом;

  • подготовка торцов. Торцы должны быть плоскими, гладкими и перпендикулярными к оси оптического волокна;

  • установка в соединительное устройство;

  • соединение;

  • нанесение защитных покрытий, восстановление оболочек.

Различают разъемные и неразъемные соединения.

Неразъемные соединения осуществляются сваркой, склейкой или посредством соединительных трубок, которые сжимаются при нагревании. На стыке не должно быть пузырьков, неоднородностей или других дефектов. Торцы (перед соединением) и стыки контролируются микроскопом и рефлектометром. Для защиты места соединения могут применяться специальные втулки или муфты.

Для разъемных соединений используются коннекторы разных типов: ST, SC, FDDI, байонетные и др. Преимущественно реализуется технология, при которой волокно обжимается в коннекторе. Оптоволокно зачищается от оболочек и буфера и устанавливается в коннектор так, чтобы был достаточно длинный свободный конец. После обжима свободный конец обрезается, а торец в месте среза тщательно полируется определенным образом.

В кабеле со свободным буфером после зачистки от оболочек на каждый световод и поверх буфера устанавливаются сжимающиеся от нагревания трубки. Далее следует обычная процедура установки коннектора.

Оптоволоконные кабели

0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT