НОУ ІНТУЇТ | лекція | Фізичний рівень мережевої моделі

4.3. Волоконно-оптичні кабелі

Як середовище передачі сигналів в мережах поряд з мідними кабелями широко використовуються волоконно-оптичні кабелі (fiber optic). Перевагою волоконно-оптичного кабелю є відсутність необхідності свіванія волокон або їх екранування, тому що відсутні проблеми перехресних перешкод (crosstalk) і електромагнітних завад від зовнішніх джерел. Це дозволяє передавати сигнали з більшою швидкістю і на більшу відстань у порівнянні з мідним кабелем.

Передача оптичних сигналів проводиться в трьох діапазонах (вікнах прозорості) оптичного волокна (ОВ) із середньою довжиною хвилі 830 нм, 1310 нм, 1550 нм, де загасання a істотно менше, ніж на сусідніх ділянках інфрачервоного діапазону ( Мал. 4.5 ). Причому, загасання знижується приблизно вдвічі при переході до більш довгохвильовому діапазоні.


Мал.4.5.

Залежність загасання ОВ від довжини хвилі

Оптичне волокно являє собою двошарову циліндричну структуру у вигляді серцевини (оптичного світловода) і оболонки. Причому, серцевина і оболонка мають різну оптичну щільність або показник заломлення Оптичне волокно являє собою двошарову циліндричну структуру у вигляді серцевини (оптичного світловода) і оболонки . Чим більше оптична щільність матеріалу, тим більше сповільнюється світло в порівнянні зі швидкістю у вакуумі. Значення показника заломлення серцевини вище показника заломлення оболонки ( ).

Передача оптичного випромінювання по световоду реалізується за рахунок властивості внутрішнього відображення, яке забезпечується нерівністю показників заломлення серцевини і оболонки Передача оптичного випромінювання по световоду реалізується за рахунок властивості внутрішнього відображення, яке забезпечується нерівністю показників заломлення серцевини і оболонки   , При цьому серцевина з великим показником заломлення є оптично більш щільною середовищем , При цьому серцевина з великим показником заломлення є оптично більш щільною середовищем. Коли промінь світла 1 ( Мал. 4.6 ) Падає на межу поділу двох прозорих матеріалів з коефіцієнтами заломлення і , причому , Світло ділиться на дві частини. Частина світлового променя відбивається назад у вихідну середу (серцевину) з кутом відбиття рівним куту падіння . Інша частина енергії світлового променя перетинає кордон розділу двох середовищ і надходить у другу речовина (оболонку) під кутом . Ця частина енергії, що потрапила в оболонку, характеризує втрати енергії, яка повинна була поширюватися по серцевині.


Мал.4.6.

Віддзеркалення і заломлення променів світла

При збільшенні кута падіння При збільшенні кута падіння   зростає кут заломлення зростає кут заломлення . При деякому значенні кута , Званому критичним , Промінь 2 ( Мал. 4.6 ) НЕ заломлюється; частина його відбивається, а частина ковзає уздовж кордону розділу, тобто кут заломлення дорівнює . За умови, що кут падіння буде більше критичного і , Настає ефект повного внутрішнього відображення, коли вся енергія світлового променя залишається всередині серцевини, тобто промінь світла поширюється по световоду без втрат на велику відстань.

Діапазон кутів падіння променя світла на торець оптичного волокна, при якому реалізується перша умова повного внутрішнього відображення ( Діапазон кутів падіння променя світла на торець оптичного волокна, при якому реалізується перша умова повного внутрішнього відображення (   ), Називається числовою апертурою волокна   (   Мал ), Називається числовою апертурою волокна ( Мал. 4.7 ). Промені світла повинні входити в серцевину тільки під кутом, що знаходяться всередині числової апертури волокна.


Мал.4.7.

Введення променя світла в оптичне волокно

Оскільки складові променя світла входять в оптичне волокно під різними кутами, то вони відбиваються від кордону розділу серцевини і оболонки під різними кутами, при цьому взаємодіють між собою (интерферируют) і частково пригнічують або підсилюють один одного. Решта посилені складові частини променя світла формують так звані моди.

Оскільки моди проходять різну відстань до пристрою призначення ( Мал. 4.8 а), то формується на виході оптичного волокна імпульс не тільки затримується на час t з і піддається загасання (коли знижується його рівень), але і виходить розмитим ( Мал. 4.8 б).

Явище розмиву (розширення) імпульсу на виході оптичного волокна отримало назву дисперсія. Таким чином, наявність багатьох мод в оптичному волокні призводить до появи межмодовой дисперсії переданого імпульсного сигналу. Через дисперсії знижується швидкість передачі даних, тому що розмиті імпульси накладаються один на одного, і зменшується відстань, на яке можна передати дані. Виникнення багатьох мод в оптичному волокні можливо, коли діаметр серцевини порівняно великий. Таке волокно називається багатомодовим (multi mode - ММ). У многомодовом оптичному кабелі використовується волокно з серцевиною діаметром 62,5 або 50 мікрон і оболонкою діаметром 125 мікрон. Такі кабелі позначаються 62,5 / 125 або 50/125.

Для зниження впливу багатьох мод на величину дисперсії при великому діаметрі серцевини (50/125) розроблено спеціальне багатомодове волокно з градієнтним показником заломлення.

Одномодове волокно (single mode - SM) має менший діаметр серцевини, що дозволяє тільки одній моді променя світла поширюватися по серцевині уздовж осі волокна ( Мал. 4.9 ). Діаметр серцевини одномодового волокна зменшений до значення 8 - 10 мікрон. Зазвичай одномодове волокно маркують таким чином - 9/125. Це означає, що діаметр серцевини складає 9 мікрон, а оболонки - 125 мікрон. Одномодове волокно більш дороге в порівнянні з багатомодовим.


Мал.4.9.

одномодове волокно

Однак в одномодових кабелях вище швидкість передачі даних і більше відстань, на яке можуть бути передані дані. Тому кабелі з одномодовим волокном використовується в локальних мережах і мережах доступу для з'єднань між будівлями, а в технологіях транспортних мереж - для міжміського зв'язку.

У одномодовом волокні межмодовая дисперсія відсутня. Однак, присутній хроматична дисперсія характерна як для багатомодового, так і для одномодового волокна. У багатомодового волокна вона непомітна на тлі великого значення межмодовой дисперсії. Хроматична дисперсія виникає через те, що хвилі світла різної довжини проходять через оптичне волокно з кілька різними швидкостями. Тобто, дисперсія виникає через нелінійність фазо-частотної характеристики ОВ. В ідеалі джерело світла (світлодіод або лазер) повинні генерувати світло тільки однієї частоти, тоді хроматичної дисперсії не було б. Однак лазери, і особливо світлодіоди, генерують спектр частот (довжин хвиль). Тому відстань і швидкість передачі даних обмежуються як дисперсією, так і загасанням сигналу в волокні.

Таким чином, хроматична дисперсія одномодового оптичного волокна залежить від довжини хвилі. Параметри ОВ визначаються рекомендаціями Міжнародного союзу електрозв'язку (G.652, G.653, G.654, G.655). Для стандартного одномодового оптичного волокна (G.652) ця залежність проходить через нуль на довжині хвилі 1310 нм. Тому для роботи в довгохвильовому діапазоні ( Таким чином, хроматична дисперсія одномодового оптичного волокна залежить від довжини хвилі ), Де найменше загасання ( Мал. 4.5 ), Розроблено одномодовое оптичне волокно (G.653) зі зміщеною дисперсією, у якого нульове значення дисперсії зміщено в район 1550 нм. Оптичне волокно (G.655) зі зміщеною ненульовою дисперсією призначене для роботи в системах зі спектральним ущільненням по довжині хвилі WDM.

В сучасних лініях передачі комбінують ділянки оптичного волокна, що характеризуються позитивною дисперсією, з ділянками волокна з негативною дисперсією, щоб в деякій мірі компенсувати дисперсію.

Відстань передачі сигналів в локальних мережах по одномодовому волокну, певне стандартом GigabitEthernet, становить до 5 км, а стандартом 10GigabitEthernet - до 40 км. В лінійних трактах телекомунікаційних систем на довжині хвилі 1550 нм реалізована передача даних на відстань до 100 км без посилення і регенерації сигналів.

Для прийому оптичних сигналів використовують фотодіоди, які працюють на довжинах хвиль 850, 1310 або 1550 нм, перетворюючи прийняті оптичні імпульси в електричні сигнали.

Для перевірки волоконно-оптичних кабелів використовуються різні тестери. Найбільш повну перевірку оптоволоконних кабелів реалізують оптичні рефлектометри (OTDR). Тестуючий світловий імпульс відбивається від неоднорідностей волокна (зворотне розсіювання), що дає можливість локалізації цих неоднорідностей.

Для підключення оптоволоконних кабелів до мережевих пристроїв використовують різні з'єднувачі (роз'єми), наведені на Мал. 4.10 .


Мал.4.10.

З'єднувачі (роз'єми) оптоволоконних кабелів (ST, SC, FC, LC)

Прямоконечний з'єднувач (Straight-Tip - ST) раніше використовувався з багатомодовим волокном.

Роз'єм абонента (Subscriber Connector - SC) широко використовується в даний час з одномодовим волокном.

Роз'єм FC рекомендується для роботи з одномодовим волокном.

Малогабаритний світиться роз'єм (LucentConnector - LC) функціонує з одномодовим волокном, а також підтримує багатомодове волокно.

Для з'єднання пристроїв всередині телекомунікаційних шаф використовуються порівняно короткі з'єднувальні оптоволоконні кабелі (патчкорди): багатомодовий кабель SC -SC, багатомодовий ST -LC, одномодовий LC-LC, одномодовий SC -ST. З багатомодовими кабелями використовують кабель SC-SC.