Оптическое волокно
Полное внутреннее отражение – мощный эффект, так как его можно применить для ограничения света. Наиболее частое использование – оптическое волокно. Это тонкое прозрачное волокно, созданное из стекла и пластика для передачи света.
Волокна окутываются материалом с меньшим показателем преломления, чтобы создать полное внутреннее отражение, даже если волокна пребывают в контакте
Волокна оптического кабеля представлены внешней защитной оболочкой и внутренним сердечником, по которому перемещаются световые импульсы. Общий диаметр – 125 мкм, а сердцевины – 50 мкм. Отличие в показателях преломления помогает создавать полное внутреннее отражение, словно это происходит на воздушно-водяной поверхности. Если свет упадет на конец кабеля с углом, превышающим критический, то световой луч попадет в ловушку стеклянной нити.
Чаще всего оптические волокна задействованы в телекоммуникациях, потому что так информация может перемещаться на больших дистанциях при минимальных потерях. Также заметно использование в медицине и технике.
Обзор | |
Отражение, преломление и дисперсия |
|
Линзы |
|
Зеркала |
|
Частоты
Скорость, дальность передачи ограничены эффектами дисперсии, затуханием. Исследователи нашли длины волн, минимизирующие недостатки. Образовано несколько окон, используемых телекоммуникациями:
- О – 1260..1360 нм.
- Е – 1360..1460 нм.
- S – 1460..1530 нм.
- С – 1530..1565 нм.
- L – 1565..1625 нм.
- U – 1625..1675 нм.
Окна идут непрерывно, существующие системы связи могут состоять одновременно из двух-трёх. Исторически первый промежуток (800-900 нм) сегодня убран, поскольку потери оказались непомерно высокими. Окна О, Е характеризуются нулевой дисперсией. Чаще применяют S, C, демонстрирующие преимущества минимального затухания (максимальная дальность передачи).
Тестирование системы и ввод её в эксплуатацию
Большинство специалистов по установке волоконно-оптических сетей предоставляют результаты оптических испытаний для вводимой в эксплуатацию оптоволоконной сети. Как минимум, они должны включать результаты измерений по сквозной передаче мощности оптического излучения для каждой оптоволоконной линии – это эквивалентно проверке целостности для обычной сети на медных кабелях с мультиплексорами электрических сигналов. Эти результаты представляются как величина потерь линии в дБ, и их можно непосредственно сравнить с техническими данными на выбранное для тракта передачи оборудование. Обычно считается нормальным иметь минимальный запас по величине потерь (обещанные параметры оборудования минус измеренная величина) в 3 дБ на неизбежные процессы старения, происходящие в оптоволоконных линиях, особенно в передатчиках.
Многие установщики представляют также кривые испытаний по OTDR (рефлектометрии во временной области) – лучше всего их можно себе представить как графическую запись затухания в каждом волокне – которые можно сохранить для последующего сравнения и анализа. Графики измерений дают OTDR бесценную информацию, однако, тем не менее, могут быть лишь дополнением к измерениям по сквозной передачи оптической мощности, но не заменой последних. Это связано с тем, что получаемая при рефлексометрических измерениях информация слишком сложна для понимания неспециалистами, имеет ограниченную точность и подвержена искажениям из-за различных дефектов в волокне.
В нормальных обстоятельствах требуется только минимальный набор процедур по приёмке системы, состоящий в проверке того, что приёмники системы обеспечивают АРУ, устраняя тем самым всякую необходимость для ручной подстройки усиления.
Оптическое волокно и его структура
Оптические линии связи успешно конкурируют с традиционными медными линиями и беспроводными технологиями. Именно оптическому волокну мы во многом обязаны резким увеличением объема и скорости передаваемой по всему миру информации за последние годы и, в частности, развитием Интернета. Более того, с каждым годом оптическое волокно становится все ближе к потребителю и осваивает все новые сферы применения.
По оптоволокну происходит передача электромагнитного излучения оптического диапазона длин волн, соответствующего частотам 1014 — 1015 Гц
Оптическое волокно (оптоволокно) – это волновод с круглым поперечным сечением, по которому передается электромагнитное излучение оптического диапазона (обычно ближний ИК и видимый свет). Оптическое волокно состоит из двух основных частей: сердцевины и оптической оболочки. Диаметр этой структуры сравним с толщиной человеческого волоса. Сверху на оптоволокно наносится защитное акриловое покрытие. Для дальнейшей защиты используются различные упрочняющие и защитные элементы. Конструкция, содержащая одно или несколько оптических волокон и различные защитные элементы, покрытые общей оболочкой, называется волоконно-оптическим кабелем.
Оптическое волокно представляет собой двухслойную цилиндрическую кварцевую нить, состоящую из сердцевины и оболочки . Сердцевина легирована германием, поэтому её показатель преломления больше, чем у оболочки. Свет распространяется в сердцевине волокна, испытывая полное внутреннее отражение на границе с оболочкой. Он проникает в оболочку на глубину порядка длины волны, т.е. на глубину много меньше её толщины и, следовательно, не взаимодействует с покрытием из акрилатного лака. Это покрытие необходимо для защиты кварцевой оболочки от механических повреждений и воздействия воды. Без лака волокно имеет толщину 125 мкм (чуть толще волоса), а в центре его идёт сердечник диаметром 9 мкм (для одномодого волокна) из сверхчистого стекла с другим составом и с немного отличным от оболочки показателем преломления. Именно в сердечнике распространяется излучение (за счёт эффекта полного отражения на границе «сердечник — оболочка»). Наконец, сверху 125-микрометровый цилиндр «оболочки» покрыт другой оболочкой — из особого лака (прозрачного или цветного — для цветовой маркировки волокон). Он (лак) предохраняет волокно от умеренных повреждений (без лака волокно хоть и гнётся, но плохо и легко сломать, волокно элементарно раскрошится от случайно положенного на него мобильника, а в лаке его можно смело обмотать вокруг карандаша и довольно сильно дёрнуть — оно выдержит).
Информационный сигнал передается по оптическому волокну в виде модулированного светового излучения. Благодаря явлению полного внутреннего отражения свет, попавший в оптоволокно, распространяется по нему на большие расстояния. Сердцевина и оптическая оболочка волокна изготавливаются из материалов с незначительно отличающимися показателями преломления. Показатель преломления сердцевины, обычно имеющий величину от 1,4 до 1,5, всегда немного больше, чем показатель преломления оптической оболочки (разница порядка 1%).
Поэтому световые волны, попавшие в сердцевину под углами, меньшими некоторого критического значения, многократно переотражаются от оболочки. Если при этом выполняются условия для распространения в волноводе (свет – это не только поток частиц, но и электромагнитная волна), то такие световые волны, называемые модами, распространяются на значительные расстояния.
Анимация для понятия термина мода
ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ
Любое технологическое решение имеет свои плюсы и минусы. Начнем с плюсов оптики.
ПЛЮСЫ
Высокая пропускная способность оптоволокна — именно ради него кабели «перешли на светлую сторону», и это вполне оправдывается. Компания Infinera, производитель оборудования для оптоволоконных коммуникационных сетей, вместе с Windstream, поставщиком информационных услуг, смогли достичь скорости передачи данных в 800 гигабит в секунду.
При этом был задействован один сегмент оптоволоконной сети, которая идет из Сан-Диего и Финикс на расстоянии 730 км. Еще более впечатляет результат на магистральных трансокеанских сборках — компания построила трассу США — Япония с максимальной скоростью передачи в 600 Тбит/сек.
Меньшие потери мощности и возможность передачи данных на большие расстояния — затухание сигнала в оптической линии меньше, чем в «классической» медной.
Устойчивость к электромагнитным наводкам. Нет электромагнитной активности — нет технологических помех. Еще один плюс — нельзя считать с кабеля передаваемую информацию через контроль излучения. Потому что электромагнитной активности при ее передаче нет.
Оптическая линия тоньше и легче, ее проще прокладывать.
Стекло гораздо дешевле металла и не окисляется.
Но есть, конечно, и свои недостатки.
МИНУСЫ
Более сложный монтаж, требующий специального оборудования. При неправильной прокладке при сгибе провода оптоволокно может сломаться или под углом сигнал потеряет интенсивность.
Хотя само волокно дешевле, монтаж его дороже. Поэтому на коротких отрезках все еще используют медь.
«Скрутить и замотать изолентой» при обрыве тоже не получится, обслуживание оптической коммуникаций требует повышенной квалификации работников.
Относительная хрупкость и малая стойкость к повреждениям.
Разновидности и классификация оптических волокон
Рассмотренные свойства являются общими для всех оптических волокон. Однако описанные параметры и характеристики могут существенно отличаться и оказывать различное влияние на процесс передачи информации в зависимости от особенностей производства оптоволокна.
Фундаментальным является деление оптическим волокон по следующим критериям.
- Материал. Основным материалом для изготовления сердцевины и оболочки оптического волокна является кварцевое стекло различного состава. Однако используется большое количество других прозрачных материалов, в частности, полимерные соединения.
- Количество распространяющихся мод. В зависимости от геометрических размеров сердцевины и оболочки и величины показателя преломления в оптическом волокне может распространяться только одна (основная) или же большое количество пространственных мод. Поэтому все оптические волокна делят на два больших класса: одномодовые и многомодовые (рис. 8).
Рис. 8. Многомодовое и одномодовое волокно
На основании этих факторов можно выделить четыре основных класса оптических волокон, получивших распространение в телекоммуникациях:
- Кварцевое многомодовое волокно.
- Кварцевое одномодовое волокно.
- Пластиковое, или полимерное, оптическое волокно (POF).
- Кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS).
Каждому из этих классов посвящена отдельная статья на нашем сайте. Внутри каждого из этих классов также существует своя классификация.
Инфраструктура кабельной сети
После того, как определены требования к тракту передачи, можно начинать разработку инфраструктуры кабельной оптоволоконной сети, в которую входят не только сами кабели, но и все вспомогательные компоненты – соединительные коробки, панели для наращивания кабелей, обводные кабели.
Первая задача – подтвердить правильность выбора числа и типа оптических волокон, определённого на этапе выбора компонентов тракта. Если система не отличается большой протяжённостью (т. е. не длиннее примерно 10 км) и не предполагает мультиплексной передачи видеосигналов, или если заказчик не пользуется уже существующей системой с одномодовым волокном для других применений (например, он оператор сети кабельного телевидения), то, скорее всего, оптимальным выбором будет многомодовое волокно 50/125 мкм или 62,5/125 мкм с градиентным показателем преломления. Традиционно в Великобритании для замкнутых ТВ систем выбирается волокно 50/125 мкм, а для локальных вычислительных сетей – 62,5/125 мкм. Во всяком случае, каждое из них подходит для каждой из этих задач, и вообще, в большинстве стран для обеих целей применяется волокно 62,5/125 мкм.
Число потребных волокон можно определить исходя из количества и относительного расположения камер и из того, используется ли однонаправленное или двунаправленное дистанционное управление и/или мультиплексирование, как это обсуждалось выше. Поскольку прирост стоимости при добавлении оптоволоконных линий в уже существующий кабель незначителен, особенно по сравнению со стоимостью связанных с этим общественных работ, следует серьёзно подойти к возможности установки кабелей с запасом по ёмкости. Не следует, однако, укладывать слишком много волокон в один кабель. Это не только сделает систему чувствительной к повреждению одного кабеля; такие кабели бывает трудно получить “со склада”, что может вызвать ограничения на минимально поставляемые количества и увеличение сроков получения.
Волоконно-оптические кабели, предназначенные для прокладки во внешней кабельной канализации или непосредственно в траншеях, обычно имеют конструкцию полой трубы, содержащей от 2 до 24 волокон в одной или нескольких трубах. Кабели, предназначенные для прокладки во внешних каналах, обычно имеют влагозащиту или из алюминиевой ленты (сухие полые трубы), или из водоотталкивающего наполнителя (кабели с гелевым наполнителем). Кабель для траншейного заглубления может содержать арматуру из стальной проволоки. В идеале все кабели должны изготавливаться из пламеостанавливающих материалов с низким дымовыделением, чтобы удовлетворять местным правилам противопожарной безопасности.
Многие замкнутые ТВ системы малой протяжённости имеют конфигурацию звезды, где от каждой камеры до поста управления проложен цельный участок кабеля. Для таких систем оптимальная конструкция кабеля будет содержать два волокна – соответственно для передачи видеосигнала и дистанционного управления. Такая конфигурация обеспечивает стопроцентный запас по ёмкости кабеля, так как при необходимости и видео, и сигналы дистанционного управления могут быть переданы по одному и тому же волокну. Более разветвлённые сети могут выиграть от использования “обратной древовидной топологии” (inverted branch & tree topology) (рис. 2.3). В таких сетях от каждой камеры двухжильный оптоволоконный кабель ведёт к местному «концентратору», где они соединяются в единый многожильный кабель. Сам же концентратор не сильно сложнее обычной всепогодной соединительной коробки и зачастую может быть объединён с корпусом оборудования одной из камер.
Рис. 2.2. Древовидная топология волоконно-оптической сети.
На посту управления входной волоконно-оптический кабель обычно приходит в блок сопряжения, смонтированный в 19″ стойку, при этом каждое волокно имеет свой индивидуальный ‘ST’-коннектор. Для окончательного сопряжения с приёмником используются короткие переходные кабели повышенной жёсткости с ответными ‘ST’-коннекторами на каждом конце
Для выполнения всех монтажных работ не требуется никакого особого искусства, помимо разумного понимания необходимости осторожного обращения с оптическим волокном (например, нельзя сгибать волокно с радиусом менее 10 диаметров волокна) и требований общей гигиены (т. е
чистоты).
Приёмники для волоконной оптики
Приёмники волоконной оптики решают жизненно важную задачу – детектирование чрезвычайно слабого оптического излучения, испускаемого из конца волокна, и усиление полученного электрического сигнала до требуемого уровня с минимальными искажениями и шумами. Минимальный уровень излучения, требующийся приёмнику для того, чтобы обеспечить приемлемое качество выходного сигнала, называется чувствительностью; разница между чувствительностью приёмника и выходной мощностью передатчика определяет максимально допустимые потери в системе в дБ. Для большинства замкнутых ТВ систем наблюдения со светодиодным передатчиком типовой является цифра в 10–15 дБ.
В идеале приёмник должен нормально работать при изменении входного сигнала в широких пределах, поскольку обычно невозможно заранее точно предсказать, какова будет степень затухания в линии связи (т. е. длина линии, число стыков и т. п.). Во многих простых конструкциях приёмников для достижения требуемого уровня выходного сигнала используется ручная регулировка усиления, производимая при монтаже системы. Это нежелательно, поскольку неизбежны изменения в величине затухания линии, вызванные старением или изменением температуры и т. п., что диктует необходимость периодически подстраивать усиление.
Во всех волоконно-оптических приёмниках применяется автоматическая регулировка усиления, которая отслеживает средний уровень входного оптического сигнала соответственно изменяет коэффициент усиления приёмника. Ни при монтаже, ни в процессе эксплуатации ручной регулировки не требуется.
История
Рис.1, Дэниел Колладон сначала описал этот эффект в 1842 году, в статье, названной «О распространении луча света в параболическом жидком потоке». Иллюстрация взята из более поздней статьи Colladon, в 1884
Попытки использовать свет, для передачи информации уходят к временам, когда человек только научился сохранять огонь. Всевозможные сигналы, с помощью костров, фонарей, маяков человечество использовало тысячелетия.
В 1790 году, во Франции, Колд Шапп построил систему оптического телеграфа состоящую из цепи семафорных башен с сигнальными рычагами. Следующий большой шаг сделал в 1880 году американец Александр Грэхем Белл. Он изобрёл фотофон, в котором речевые сигналы передавались с помощью света. Однако эта идея не нашла практического применения. Погода и состояние атмосферы не позволяли гарантированно передавать сигнал на приемлемые расстояния. Атмосфера, как среда передачи была неудобна.
Дэниел Колладон ещё в 1842 году описал эффект названный «световой фонтан» или «световая труба», а в 1870 году, английский физик Джон Тиндаль продемонстрировал (см. Рис.1), что свет может передаваться в потоке воды. В его экспериментах использовался принцип полного внутреннего отражения, который используется в современных световодах.
Следующим заметным этапом был патент, который получил в 1934 году американец Норман Р. Френч на оптическую телефонную систему. Он предлагал модулировать речевыми сигналами свет и передавать его по системе «кабелей» состоящих из стержней изготовленных из чистого стекла. Для реализации этого проекта необходимо было иметь подходящий источник излучения и возможность изготовления сверхчистого материала для светопроводящих стержней. Технически реализовать его идею удалось только спустя четверть века.
В 1958 году американцы Артур Шавлов и Чарльз Г. Таунс, и независимо советские физики Прохоров и Басов разработали лазер. Первые лазеры начали работать в 1960 году. Позже, в 1962 году советский учёный Ж. Алфёров предсказал возможность создания гетеропереходов и построение на их основе полупроводниковых лазерных излучателей. Позже были созданы полупроводниковые светодиодные и лазерные излучатели. К этому времени уже были разработаны полупроводниковые фотодиоды. Но для построения эффективных сетей передачи данных необходимо было иметь световоды с коэффициентом затухания не более 20 дБ/км. Лучшие на то время световоды использующиеся в медицине для прямой передачи изображения на короткие расстояния составляло порядка 1000 дБ/км.
Прорыв был произведён в 1970 году компанией Corning. Они получили оптические волокна со ступенчатым профилем показателя преломления с коэффициентом затухания на длине волны 633 нм. менее 20 дБ/км. Уже к 1972 году удалось уменьшить коэффициент затухания на длине волны 850 нм. до 4 дБ/км. Современные многомодовые волокна имеют коэффициент затухания на длине волны 850 нм. не более 2,7 дБ/км., одномодовые волокна имеют коэффициент затухания на длине волны 1550 нм. не более 0,2 дБ/км.
Первые волоконно-оптические кабели были пущены в эксплуатацию для телефонной связи на кораблях военно-морского флота США в 1973 году. Позже они стали активно использоваться в авиации, позволяя полностью исключить помехи в каналах передачи данных и при этом существенно уменьшить вес оборудования.
Первый стандартный подводный волоконно-оптический кабель (ТАТ-8) был успешно проложен через Атлантический океан в 1988 году
Трудности выбора
ОВ-расходники следует подбирать в строгой зависимости от того, в каких условиях они будут проложены и для каких задач их собираются использовать. Для этого нужно знать их категорию и тип. Если говорить о месте и условиях прокладки, то оптоволокно может подразделяться:
- для воздушной (подвесной) прокладки;
- для монтажа внутри помещений;
- для укладки в землю на глубину;
- для монтажа в специализированных кабельных канализационных каналах;
- универсальные модели.
Всегда стоит помнить, что создание даже одного замкнутого коммуникационного поля может предусматривать использование различных типов оптоволокна. При этом оно должно соответствовать виду соединяемого оборудования. Также, в целях упорядочения размещения линий внутри помещений, предпочтительнее использовать коммуникационный шкаф.
Помимо прочего, при покупке нужно обращать внимание на вид буфера ОВ-провода, который бывает плотным либо свободным. Свободный буфер предполагает только базовую защищенность в виде такого покрытия
Плотная защита же предполагает размещение жил в жестком корпусе из пластика, который заполняется особым гелем с гидрофобными свойствами. В самом модуле могут присутствовать одновременно несколько волокон. Подобная конструкция поможет успешно избежать проблем во время прокладки в виде нечаянного образования многочисленных изгибов или растяжек. Также, плотная защита качественно воспрепятствует попаданию внутрь конструкции влаги, а это означает возможность наружного применения.
Физические основы работы оптоволокна
В основе физических принципов работы оптического волокна лежит принцип полного отражения. Если взять две среды с различными коэффициентами преломления n1 и n2, причем n2< n1 (например, воздух и стекло или стекло и прозрачный пластик) и пустить луч света под углом α к границе раздела, то произойдут два события.
Луч (на рисунке обозначен красным цветом), пущенный сверху слева (по стрелке), частично преломится и пойдет по среде с коэффициентом преломления n2 под углом α1<α – эта часть луча обозначена штриховой линией. Другая часть луча отразится от границы раздела под тем же углом. Если пустить луч под более пологим углом β (зеленый луч на рисунке), то произойдет то же самое – частичное отражение и частичное преломление под углом β1.
Если угол падения α уменьшить еще (синий луч на рисунке), то можно добиться, чтобы преломленная часть луча «скользила» практически параллельно границе раздела сред (синяя штриховая линия). Дальнейшее уменьшение угла падения (зеленый луч, падающий под углом β) вызовет качественный скачок – преломленная часть будет отсутствовать. Луч полностью отразится от границы раздела двух сред. Этот угол называется углом полного отражения, а само явление – полным отражением. То же самое будет наблюдаться и при дальнейшем уменьшении угла падения.
Преимущества и недостатки оптического волокна
Хотя оптическое волокно имеет преимущества в скорости и пропускной способности по сравнению с медным кабелем, стоит учитывать, что у него также есть и определенные недостатки. Вот преимущества и недостатки оптического волокна.
Преимущества оптического волокна
Большая пропускная способность & более высокая скорость—оптоволоконный кабель поддерживает чрезвычайно высокую пропускную способность и скорость. Большое количество информации, которое может быть передано на единицу оптоволоконного кабеля, является его наиболее значительным преимуществом.
Дешевка—длинные, непрерывные мили оптоволоконного кабеля могут быть сделаны дешевле, чем эквивалентные длины медного провода. С многочисленными поставщиками, борющимися за долю рынка, цена оптического кабеля обязательно упадет.
Тоньше и легче—оптическое волокно тоньше, и его можно вытянуть на меньшие диаметры, чем медный провод. Они имеют меньший размер и легкий вес, чем сопоставимый медный кабель, поэтому лучше подходят для мест, где требуется пространство.
Более высокая пропускная способность—поскольку оптические волокна намного тоньше, чем медные провода, больше волокон могут быть объединены в кабеле заданного диаметра. Это позволяет больше телефонных линий переходить по одному и тому же кабелю или большему каналу, проходящему через кабель в вашу кабельную телевизионную коробку.
Меньшая деградация сигнала—потеря сигнала в оптическом волокне меньше, чем в медном проводе.
Световые сигналы—в отличие от электрических сигналов, передаваемых по медным проводам, световые сигналы от одного волокна не влияют на сигналы других волокон в том же оптоволоконном кабеле. Это означает более четкие телефонные разговоры или прием на телевидении.
Долгий срок службы—оптические волокна обычно имеют более длительный жизненный цикл более 100 лет.
Недостатки оптического волокна
Низкая мощность—светоизлучающие источники ограничены низкой мощностью. Хотя излучатели высокой мощности доступны для улучшения энергопотребления, это добавит дополнительную стоимость.
Хрупкость—оптическое волокно довольно хрупкое и более уязвимо к повреждениям по сравнению с медными проводами. Лучше не скручивать и не сгибать оптоволоконные кабели слишком сильно.
Расстояние—расстояние между передатчиком и приемником должно быть коротким, или повторители необходимы для усиления сигнала.
Конструкция волоконно-оптического кабеля
Конструкция ВОК изменяется в зависимости от его типа и назначения при общем сходстве отдельных конструктивных элементов. Познакомимся с особенностями кабельной конструкции на примере оптоволоконного кабеля, изображенного на рисунке.
Волоконно-оптический кабель в разрезе
В центре конструкции виден силовой элемент из стеклопластикового прутка, предназначенный для демпфирования нагрузок, создаваемых при монтаже и эксплуатации. Волокна расположены внутри оптических модулей, оберегающих их от внешнего воздействия. Модули представляют собой пластиковые трубки, имеющие оптимальный диаметр для группирования нужного количества ОВ.
В состав ВОК входят один или несколько модулей, что зависит от общего числа волокон. Модульное группирование оптических волокон и их цветовая маркировка намного облегчают идентификацию каждого конкретного оптоволокна при монтаже муфт и расшивке оптоволоконного кабеля на кроссе.
Оптические модули покрыты водоотталкивающим гелем, предохраняющим от проникновения влаги. Бандажная лента из полиэтилена фиксирует оптические модули и не дает вытечь гелевому наполнителю.
Внутренняя полиэтиленовая оболочка является буферным слоем, разделяющим оптические модули и армирующую броню. В данном примере бронирование выполнено стальной оцинкованной проволокой, надежно защищающей от грызунов и экстремальных нагрузок.
Важнейшим элементом защиты является внешняя оболочка из негорючего высокоплотного полиэтилена. От надежности наружного покрытия зависит длительность безотказного функционирования оптоволоконного кабеля, что диктует строгие требования к технологии его производства.