Волс (волоконно-оптические линии связи). Волоконно-оптические линии связи Волокно оптическая связь

Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам.

1.1 Физические особенности.

1. Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей (Fo=10**14 Гц). Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 10**12 бит/с или Терабит/с. Говоря другими словами, по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут.
Очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0.22 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1.55 мкм имеет затухание 0.154 дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более "прозрачные", так называемые фторцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2.5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.

1.2 Технические особенности.

1. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди.
2. Оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм., то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике.
3. Стеклянные волокна - не металл, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов. Применяя особо прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах существующих линий электропередач, как отдельно, так и встроенные в фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие преграды.
4. Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии. Теоретически существуют способы обойти защиту путем мониторинга, но затраты на реализацию этих способов будут столь велики, что превзойдут стоимость перехваченной информации.

   Существует способ скрытой передачи информации по оптическим линиям связи. При скрытой передаче сигнал от источника излучения модулируется не по амплитуде, как в обычных системах, а по фазе. Затем сигнал смешивается с самим собой, задержанным на некоторое время, большее, чем время когерентности источника излучения.

   При таком способе передачи информация не может быть перехвачена амплитудным приемником излучения, так как он зарегистрирует лишь сигнал постоянной интенсивности.

   Для обнаружения перехватываемого сигнала понадобится перестраиваемый интерферометр Майкельсона специальной конструкции. Причем, видность интерференционной картины может быть ослаблена как 1:2N, где N - количество сигналов, одновременно передаваемых по оптической системе связи. Можно распределить передаваемую информацию по множеству сигналов или передавать несколько шумовых сигналов, ухудшая этим условия перехвата информации. Потребуется значительный отбор мощности из волокна, чтобы несанкционированно принять оптический сигнал, а это вмешательство легко зарегистрировать системами мониторинга.

Важное свойство оптического волокна - долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить оптико-волоконный кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие.

Есть в волоконной технологии и свои недостатки:

1. При создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы. Необходимы также оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связи должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.
2. Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование.
3. Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.

Преимущества от применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) настолько значительны, что несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации.

2. Оптическое волокно

Промышленность многих стран освоила выпуск широкой номенклатуры изделий и компонентов ВОЛС. Следует заметить, что производство компонентов ВОЛС, в первую очередь оптического волокна, отличает высокая степень концентрации. Большинство предприятий сосредоточено в США. Обладая главными патентами, американские фирмы (в первую очередь это относится к фирме "CORNING") оказывают влияние на производство и рынок компонентов ВОЛС во всем мире, благодаря заключению лицензионных соглашений с другими фирмами и созданию совместных предприятий.

Важнейший из компонентов ВОЛС - оптическое волокно. Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Свое название волокна получили от способа распространения излучения в них. Волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n1 и n2.

В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10 мкм, то есть сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода).

В многомодовом волокне размер световодной жилы порядка 50-60 мкм, что делает возможным распространение большого числа лучей (много мод).

Оба типа волокна характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией.

Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне.

Потери на поглощение зависят от чистоты материала, потери на рассеяние зависят от неоднородностей показателя преломления материала.

Затухание зависит от длины волны излучения, вводимого в волокно. В настоящее время передачу сигналов по волокну осуществляют в трех диапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность.

Другой важнейший параметр оптического волокна - дисперсия. Дисперсия - это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала. Существуют три типа дисперсии: модовая, материальная и волноводная.

модовая дисперсия присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно

материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны

волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.

Поскольку светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространению по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке пользуются термином "полоса пропускания" - это величина, обратная к величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в МГц*км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.

Если при распространении света по многомодовому волокну как правило преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну присущи только два последних типа дисперсии. На длине волны 1.3 мкм материальная и волноводная дисперсии в одномодовом волокне компенсируют друг друга, что обеспечивает наивысшую пропускную способность.

Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны. Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой же причине одномодовые волокна сложно сращивать с малыми потерями. Оконцевание одномодовых кабелей оптическими разъемами также обходится дороже.

Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как в них размер световодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовых волокнах. Многомодовый кабель проще оконцевать оптическими разъемами с малыми потерями (до 0.3 dB) в стыке. На многомодовое волокно расчитаны излучатели на длину волны 0.85 мкм - самые доступные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон находится в пределах 3-4 dB/км и не может быть существенно улучшено. Полоса пропускания у многомодовых волокон достигает 800 МГц*км, что приемлемо для локальных сетей связи, но не достаточно для магистральных линий.

3. Волоконно-оптический кабель

Вторым важнейшим компонентом, определяющим надежность и долговечность ВОЛС, является волоконно-оптический кабель (ВОК). На сегодня в мире несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них: AT&T, General Cable Company (США); Siecor (ФРГ); BICC Cable (Великобритания); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония), Pirelli(Италия).

Определяющими параметрами при производстве ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи.

По условиям эксплуатации кабели подразделяют на:

• монтажные
• станционные
• зоновые
• магистральные

Первые два типа кабелей предназначены для прокладки внутри зданий и сооружений. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую строительную длину.

Кабели последних двух типов предназначены для прокладки в колодцах кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти кабели имеют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух километров.

Для обеспечения большой пропускной способности линии связи производятся ВОК, содержащие небольшое число (до 8) одномодовых волокон с малым затуханием, а кабели для распределительных сетей могут содержать до 144 волокон как одномодовых, так и многомодовых, в зависимости от расстояний между сегментами сети.

При изготовлении ВОК в основном используются два подхода:

• конструкции со свободным перемещением элементов
• конструкции с жесткой связью между элементами

По видам конструкций различают кабели повивной скрутки, пучковой скрутки, кабели с профильным сердечником, а также ленточные кабели. Существуют многочисленные комбинации конструкций ВОК, которые в сочетании большим ассортиментом применяемых материалов позволяют выбрать исполнение кабеля, наилучшим образом удовлетворяющее всем условиям проекта, в том числе - стоимостным.

Особый класс образуют кабели, встроенные в грозотрос.

Отдельно рассмотрим способы сращивания строительных длин кабелей.

Сращивание строительных длин оптических кабелей производится с использованием кабельных муфт специальной конструкции. Эти муфты имеют два или более кабельных ввода, приспособления для крепления силовых элементов кабелей и одну или несколько сплайс-пластин. Сплайс-пластина - это конструкция для укладки и закрепления сращиваемых волокон разных кабелей.

4. Оптические соединители

После того, как оптический кабель проложен, необходимо соединить его с приемо-передающей аппаратурой. Сделать это можно с помощью оптических коннекторов (соединителей). В системах связи используются коннекторы многих видов. Сегодня мы рассмотрим лишь основные виды, получившие наибольшее распространение в мире. Внешний вид разъемов показан на рисунке.

Характеристики коннекторов представлены в таблице 1. Когда мы говорим, что данные виды коннекторов имеют наибольшее распространение, то это означает, что большинство приборов ВОЛС имеют розетки (адаптеры) под один из перечисленных видов коннекторов. Хотелось бы сказать несколько слов о последнем разделе таблицы 1. В нем упомянут новый тип фиксации: "Push-Pull".

Таблица 1:

Фиксация "Push-Pull" обеспечивает подключение коннектора к розетке наиболее простым образом - на защелке. Защелка-фиксатор обеспечивает надежное соединение, при этом не нужно вращать накидную гайку. Важное преимущество разъемов с фиксацией Push-Pull - это высокая плотность монтажа оптических соединителей на распределительных и кроссовых панелях и удобство подключения.

5. Электронные компоненты систем оптической связи

Теперь коснемся проблемы передачи и приема оптических сигналов. Первое поколение передатчиков сигналов по оптическому волокну было внедрено в 1975 году. Основу передатчика составлял светоизлучающий диод, работающий на длине волны 0.85 мкм в многомодовом режиме.

В течение последующих трех лет появилось второе поколение - одномодовые передатчики, работающие на длине волны 1.3 мкм.

В 1982 году родилось третье поколение передатчиков - диодные лазеры, работающие на длине волны 1.55 мкм.

Исследования продолжались и вот появилось четвертое поколение оптических передатчиков, давшее начало когерентным системам связи - то есть системам, в которых информация передается модуляцией частоты или фазы излучения. Такие системы связи обеспечивают гораздо большую дальность распространения сигналов по оптическому волокну. Специалисты фирмы NTT построили безрегенераторную когерентную ВОЛС STM-16 на скорость передачи 2.48832 Гбит/с протяженностью в 300 км, а в лабораториях NTT в начале 1990 года ученые впервые создали систему связи с применением оптических усилителей на скорость 2.5 Гбит/с на расстояние 2223 км.

Появление оптических усилителей на основе световодов, легированных эрбием, способных усиливать проходящие по световоду сигналы на 30 dB, дало начало пятому поколению систем оптической связи. В настоящее время быстрыми темпами развиваются системы дальней оптической связи на расстояния в тысячи километров. Успешно эксплуатируются трансатлантические линии связи США-Европа ТАТ-8 и ТАТ-9, Тихоокеанская линия США-Гавайские острова-Япония ТРС-3. Ведутся работы по завершению строительства глобального оптического кольца связи Япония-Сингапур-Индия-Саудовская Аравия-Египет-Италия.

В последние годы наряду с когерентными системами связи развивается альтернативное направление: солитоновые системы связи. Солитон - это световой импульс с необычными свойствами: он сохраняет свою форму и теоретически может распространяться по "идеальному" световоду бесконечно далеко. Солитоны являются идеальными световыми импульсами для связи. Длительность солитона составляет примерно 10 трилионных долей секунды (10 пс). Солитоновые системы, в которых отдельный бит информации кодируется наличием или отсутствием солитона, могут иметь пропускную способность не менее 5 Гбит/с на расстоянии 10 000 км.

Такую систему связи предполагается использовать на уже построенной трансатлантической линии ТАТ-8. Для этого придется поднять подводный ВОК, демонтировать все регенераторы и срастить все волокна напрямую. В результате на подводной магистрали не будет ни одного промежуточного регенератора.

6. Применение ВОЛС в вычислительных сетях

Наряду со строительством глобальных сетей связи оптическое волокно широко используется при создании локальных вычислительных сетей (ЛВС).

Фирма "ВИМКОМ ОПТИК", занимаясь автоматизацией и электронными технологиями, разрабатывает и устанавливает локальные и магистральные сети Ethernet, Fast Ethernet, FDDI, ATM/SDH с применением оптических линий связи. Фирма "ВИМКОМ ОПТИК" делает это по трем причинам. Во-первых, это выгодно. При установке протяженных сегментов сети не требуются повторители. Во-вторых, это надежно. В оптических линиях связи очень низкий уровень шумов, что позволяет передавать информацию с коэффициентом ошибок не более 10**(-10). В третьих, это перспективно. Волоконно-оптические линии связи позволяют наращивать вычислительные возможности сети без замены кабельных коммуникаций. Для этого нужно просто установить более быстродействующие передатчики и приемники. Это важно для тех пользователей, кто ориентируется на развитие своей ЛВС.

Кабель для связи сегментов сети стоит недорого, но работы по его прокладке могут составить самую крупную статью расходов по установке сети. Потребуется труд не только техников-кабельщиков, но и целой команды строителей (штукатуров, маляров, электриков), что обойдется недешево, если учесть возрастающую стоимость ручного труда. Основные топологии ЛВС: "шина", "звезда", "кольцо". В настоящее время оптическое волокно сложно использовать при строительстве общей шины, но его удобно использовать для связи "точка-точка", применяемой в топологии "звезда" и "кольцо".

Схема ВОЛС, применяемых, в частности, в ЛВС, устроена следующим образом:

Электрический сигнал идет от сетевого контроллера, устанавливаемого в рабочую станцию или сервер (например, сетевой контроллер Ethernet), затем поступает на электрический вход трансивера (например, оптический трансивер ISOLAN 3Com), который преобразует электрический сигнал в оптический. Оптический кабель (например, ОКГ-50-2) присоединяется к оптическим разъемам трансивера с помощью оптических соединителей (например, ST).

Рассмотрим несколько вариантов строительства ВОЛС.

1. ВОЛС внутри одного здания. В этом случае для связи применяется двухволоконный ОК (типа "Лапша"), который при необходимости может быть проложен в трубке ПНД-32 под фальш-полом или вдоль стен в декоративных коробах. Все работы могут быть произведены самим заказчиком, если поставляемый кабель будет оконцован соответствующими коннекторами.
2. ВОЛС между зданиями строится с прокладкой ВОК либо по колодцам кабельных коммуникаций, либо путем подвеса ВОК между опорами. В этом случае необходимо обеспечить сопряжение толстого многоволоконного кабеля с оптическими трансиверами. Для этого используют кабельные муфты, в которых производится разделка концов ВОК, идентификация волокон и оконцевание волокон коннекторами, соответствующими выбранным трансиверам. Эту работу можно выполнить несколькими способами.
   1. Можно заказать ВОК в специальном исполнении Break-Out. Это более дорогой вариант, зато кабель можно сразу оконцевать оптическими коннекторами, вывести из муфты оконцованные модули (шнуры, подобные монтажным проводам) и подключить их к приемо-передающей аппаратуре.
   2. Можно приварить к разделанным в кабельной муфте волокнам оптические шнуры с коннекторами на одном конце (pig tail). Длина pig tail выбирается из соображений удобства для пользователя (например, 3 м).
   3. Можно оконцевать волокна коннекторами и воткнуть коннекторы изнутри в оптические розетки (coupling), вмонтированные в стенку кабельной муфты. Снаружи в coupling втыкается коннектор оптического шнура, ведущего к приемо-передающей аппаратуре.

Возможны и другие способы стыковки ВОК с оптическими трансиверами. У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. В практике специалистов фирмы "ВИМКОМ ОПТИК" получил распространение третий способ, так как он экономичен, надежен, обеспечивает малые вносимые оптические потери за счет применения розеток и коннекторов с керамическими элементами, а также удобен для пользователей.

Особо следует сказать о необходимости оптического кросс-коннекта.

Следует отметить, что за последние годы разработано несколько способов сращивания оптических волокон. Универсальным считается способ сращивания волокон путем сварки на специальном аппарате. Такие аппараты производят фирмы: BICC(Великобритания), Ericsson (Швеция), Fujikura, Sumitomo(Япония). Высокая стоимость сварочных аппаратов стала причиной создания альтернативных технологий сращивания оптических волокон.

Например, для быстрого соединения волокон сейчас используются специально разработанные фирмой 3М механические "сплайсы" (splice). Это пластиковые устройства размерами 40x7x4 мм, состоящие из двух частей: корпуса и крышки. Внутри корпуса находится специальный желоб, в который с разных сторон вставляются соединяемые волокна. Затем надевается крышка, являющаяся одновременно замком. Особая конструкция "сплайса" надежно центрирует волокна. Получается герметичное и качественное соединение волокон с потерями на стыке ~ 0.1 dB. Такие "сплайсы" особенно удобны при быстром восстановлении повреждений ВОЛС. Время на соединение двух волокон не превышает 30 секунд после того как волокна подготовлены (снято защитное покрытие, сделан строго перпендикулярный скол). Монтаж ведется без применения клея и специального оборудования, что очень удобно при работе в труднодоступном месте (например, в кабельном колодце).

Фирма SIECOR предлагает другую технологию сращивания волокон, при которой волокна вводятся в прецизионную втулку. В месте стыка волокон внутри втулки помещен гель на основе силикона высокой прозрачности с показателем преломления, близким к показателю преломления оптического волокна. Этот гель обеспечивает оптический контакт между торцами сращиваемых волокон и одновременно герметизирует место стыка.

Другие способы сращивания менее распространены, мы на них останавливаться не будем.

Монтаж оптических линий связи фирма "ВИМКОМ ОПТИК" проводит с помощью сварочного аппарата фирмы "Sumitomo" type 35 SE. Этот аппарат позволяет сваривать любые типы волокон в ручном и автоматическом режимах, тестирует волокно перед сваркой, устанавливает оптимальные параметр работы, оценивает качество поверхностей волокон перед сваркой, измеряет потери в месте соединений волокон и,если это необходимо, дает команду повторить сварку. Кроме этого аппарат защищает место сварки специальной гильзой и проверяет на прочность сварное соединение. Аппарат позволяет сваривать одномодовые и многомодовые волокна с потерями 0.01dB, что является превосходным результатом. Особо хочется сказать о специально разработанной методике оценки качества сварки. В аппаратах других конструкций, например BICC, волокно изгибается, и в месте изгиба свариваемого волокна водится излучение лазера, которое регистрируется в месте изгиба второго свариваемого волокна фотоприемником. При таком способе измерений волокно подвергается чрезмерной деформации изгиба, что может привести к образованию трещин на этом участке волокна. Sumitomo проводит измерения неразрушающим способом на основе обработки видеоинформации по специально разработанным алгоритмам.

Для некоторых специальных применений оптические волокна выпускаются с особым покрытием оболочки или со сложным профилем показателя преломления на границе "жила-оболочка". В такие волокна очень трудно ввести зондирующее излучение в области изгиба. Для аппаратов Sumitomo работа со специальными волокнами не вызывает затруднений. Подобные аппараты довольно дороги, но мы работаем именно на таких аппаратах. Этим достигаются две цели: 1) высокое качество сварки, 2) высокая скорость работ, что немаловажно при выполнении ответственных заказов (срочная ликвидация аварии на магистральной линии связи).

В процессе монтажа ВОЛС осуществляется тестирование линии с помощью оптического рефлектометра. По мнению специалистов "ВИМКОМ ОПТИК" одним из наиболее приспособленных аппаратов для этих целей является мини-рефлектометр фирмы Ando AQ7220. Легкий и компактный (340х235х100 мм,4.6 кг с встроенной батареей на 3-4 часа работы), он особенно удобен для работы в полевых условиях. Прибор имеет внутреннюю память, 3.5" дисковод, жесткий диск (дополнительно).

Прирост объема продаж приводит к значительному снижению стоимости всех компонентов ВОЛС, а новые технологии строительства оптических сетей позволяют создавать высоконадежные телекоммуникации.

Вычислительные сети предприятий в нашей стране развиваются все более быстрыми темпами. Поэтому обычно перед компанией со временем встают 2 основные проблемы: модернизация существующей сети в сторону увеличения мощности всех ее компонент (рабочих станций, активного и сетевого оборудования) и реорганизация обработки информации. Ситуация, когда на предприятии необходимо объединить в единую сеть несколько подразделений, как, например, склад, головной офис, удаленный офис, бухгалтерский отдел, конструкторское бюро и т.д. и т.п., зачастую приходит не сразу, а начинает решаться, когда разрозненная обработка информации становится экономически невыгодной и приводит к потере времени. Лишь тогда информационный отдел, служба или подобное подразделение начинают ломать голову как наиболее экономично, с наименьшими временными затратами, без потери качества, объединить в единую корпоративную сеть предприятия несколько локальных вычислительных сетей и удаленных центров обработки информации.

Кроме того, потребность в передаче данных с высокой скоростью и без потери качества выходит на первый план. Решение этой проблемы требует, помимо закупки активного сетевого оборудования, организацию линий связи. Для этого обычно используется кабельная проводка на основе медного или оптоволоконного кабеля. Однако, хорошо отработанные решения для организации ближней связи с использованием медных или волоконно-оптических линий не всегда удобны.

Прокладка кабеля часто влечет за собой значительные затруднения:

• невозможность получить разрешение на прокладку кабеля, особенно в городских условиях;
• нет возможности получить в аренду телефонные линии от оператора, либо плохое качество связи по арендованным линиям;
• большие затраты средств и времени на прокладку новых коммуникаций, а также из-за высокой арендной платы за использование уже существующих коммуникаций;
• использование старых коммуникаций, которые из-за своей высокой загруженности уже не могут справиться с новым дополнительным трафиком.

Из всего вышесказанного следует, что в ряде случаев использование беспроводных соединений может быть экономически выгодным.

Преимущества беспроводных сетей передачи данных:

• возможная альтернатива использования арендованных линий;
• экономичность. Например, для организации временных сетей при частых структурных перестройках в организации, связанных с изменением конфигурации кабельной сети;
• объединение в сеть компьютеров там, где прокладка кабеля часто невозможна технически.

Если еще несколько лет назад первые беспроводные сетевые устройства только начинали появляться на рынке, то сейчас решения на базе беспроводного доступа предлагают все крупные системные интеграторы. Стоит оговориться, что речь идет о радиодоступе.

Большинство беспроводных устройств поддерживают конфигурацию Ethernet. С физической точки зрения, при организации беспроводной сети используются или схема точка — точка (point-to-point) или сети работают в режиме многоточечного доступа (point-to-multipoint). В первом случае связь обеспечивается между двумя удаленными друг от друга устройствами, во втором — в сеть объединяются несколько устройств.

Технологии и устройства, используемые при построении беспроводных сетей:

• сотовая связь с коммутацией каналов;
• пакетная радиосвязь;
• использование космических спутников (спутниковая связь);
• использование беспроводных мостов для соединения ЛВС;
• с использованием радиоинтерфейса;
• пейджинговая радиосвязь;
• с использованием лазерного оборудования;
• с использованием оптического оборудования и т.д.

Беспроводные оптические каналы связи

Для организации соединения отдельных ЛВС могут использоваться оптические линии, работающие в инфракрасном участке спектра. На отечественном рынке несколько компаний предлагают специальное оптическое оборудование.

Существуют решения по организации оптических каналов связи с использованием отечественного оборудования. Опыт применения БОКСов (беспроводных оптических каналов связи) показал их высокую надежность, возможность эксплуатации практически в любых погодных условиях. Использование БОКСов для организации корпоративной сети пивоваренного завода в Туле дал возможность снизить суммарную стоимость проекта на 70% (см. Сети и системы связи №9 стр.8).

В общем случае применение беспроводных оптических каналов связи целесообразно в следующих случаях:

• создания основного и/или резервного канала связи;
• объединения нескольких локальных вычислительных сетей;
• для решения проблемы "последней мили";
• аварийной связи, когда необходимо быстрое развертывание;
• для связи типа "точка-точка" при максимальном удалении между "точками" до 1 км;
• создание магистральных каналов;
• для организации доступа к общим и ведомственным сетям передачи данных или для доступа в сеть Интернет.

Наиболее типично применение оптических каналов связи для создания беспроводных соединений между отдельными зданиями, разделенными преградами: дорогами, площадями, железнодорожной полосой, водной преградой, промышленной зоной и т.д.

Для кого может представлять интерес такие решения? Это могут быть предприятия:

• расположенные в нескольких отдельно стоящих зданиях на расстоянии до 1 км друг от друга;
• имеющие интенсивный трафик данных;
• имеющие несколько локальных вычислительных сетей и удаленных терминалов;
• предъявляющие повышенные требования к надежности функционирования всей сети;
• решающие задачу распределенной обработки информации в единой корпоративной сети.

Оптическая передача данных

Рассмотрим коротко процесс передачи данных с использованием оптического канала. Через устройство сопряжения сетевой трафик из кабеля (витая пара или волоконная оптика) доставляется к светодиоду, работающим в инфракрасном диапазоне спектра. Сигнал передается узко направленным световым лучом в принимающий фотодиод на другом конце сети. Полученный световой сигнал демодулируется и преобразуется в коммуникационный протокол.

Следует иметь в виду, что для организации дуплексных конфигураций необходим комплект оборудования, состоящий из 2-х приемников и 2-х передатчиков БОКС-10МПД.

Беспроводные оптические каналы связи обладают рядом преимуществ:

• сравнительно низкая стоимость оборудования;
• высокая надежность передачи информации. Тестирование работы БОКСов при организации беспроводного объединения ЛВС в Туле показало, что надежность и качество передачи данных такое же как и при обычной передаче по кабелю;
• Компактность и малый вес, что существенно облегчает как установку, так и демонтаж системы. Устройства могут легко крепиться к стенам зданий, столбам и т.д.;
• Простота эксплуатации (все что требуется — это периодически (не часто) протирать линзы);
• Минимальные сроки установки — быстрый ввод в эксплуатацию (2-3 часа);
• скорость передачи информации до 10 Мбит/с
• установка БОКСов не требует согласования в органах Госсвязьнадзора;
• повышенная устойчивость к помехам;
• работа в любых погодных условиях (снег, дождь и т.д.);
• инфракрасное излучение безвредно для человека.
• Возможность передачи большого количества данных;
• Высокая скорость соединения
• Нет необходимости занимать частоты;

Следует оговориться, что несмотря на малые сроки установки системы, нужен определенный навык. Поэтому лучше обратиться к специалистам, которые сумеют выполнить все требования, предъявляемые к монтажу, и будут нести ответственность за работу системы.

Спектр БОКСов достаточно широк и подходит для большого круга задач. В таблице приведен перечень устройств, предлагающихся на рынке России и их краткие характеристики.

Оборудование БОКС

Как видно из таблицы, рабочая дистанция зависит от конкретной модели. Все устройства обеспечивают непрерывное функционирование канала связи в условиях дождя, снега, тумана. Стоит заметить, что теоретическое (расчетное) расстояние превышает рабочее в 3 раза. Рассмотрим характеристики нескольких устройств.

Базовое изделие семейства — БОКС-10М, предназначено для создания канала передачи данных стандарта Ethernet. Устройство производит преобразование электрических сигналов стандарта IEEE 802.3 (Ethernet) в оптические инфракрасного диапазона (850 — 890 нм), передает их в атмосфере остронаправленным лучом, с последующим приемом на другой стороне и преобразованием оптического сигнала в электрический.

БОКС-10М состоит из двух одинаковых приемопередатчиков (оптических труб), устанавливаемых на обеих сторонах канала связи.

Каждый блок состоит из приемопередающего модуля, козырька, интерфейсного кабеля (длиной 5 метров), системы наведения, кронштейна, блока питания и блока доступа.

Приемопередающий модуль — это передатчик остронаправленного оптического излучения инфракрасного диапазона, состоящий из инфракрасного полупроводникового светодиода и приемника — высокочувствительного светодиода. Светодиоды работают на длине волны 0,87 мкм. Характеристики устройства представлены в таблице:

Технические характеристики

Беспроводной Оптический Канал Связи БОКС-10МПД

Принцип действия этой модели аналогичен БОКС-10М.

• большая рабочая дистанция
• разнесенный приемник и передатчик (независимые корпуса);
• полный дуплекс

Технические характеристики

Беспроводной оптический канал связи БОКС — Е1

Принцип действия и состав этой модели аналогичен БОКС-10МПД. Существенные отличия — большая рабочая и максимальная дистанции, соответствует спецификации СCITT G.703.

БОКС-Е1 предназначен для подключения аппаратуры со стандартными цифровыми интерфейсами к каналам E1 (или T1), реализованным по рекомендации G.703. Эти каналы используются в цифровых системах передачи (например в ИКМ-30, наиболее распространенной в российских телефонных сетях).

Технические характеристики

Монтаж

Приемопередатчики могут устанавливаться на поверхности крыш или стен. БОКС монтируется на металлической опоре, которая обеспечивает возможность регулировки угла наклона по горизонтали и по вертикали. В обоих плоскостях угол наклона не превышает 45 градусов, что вполне достаточно для точной наводки 2-х труб друг относительно друга.

Подключение примепередатчика осуществляется через специальный блок доступа. В качестве соединительных кабелей обычно используют витую пару категории 5 (UTP). С одной стороны блок доступа соединяется с компьютером или с сетевым устройством, если идет соединение с ЛВС. В качестве сетевого устройства используется либо маршрутизатор, либо коммутатор. Со стороны оптического канала блок доступа соединяется с приемо-передатчиком интерфейсным кабелем. В качестве интерфейсного кабеля используется обычная витая пара, снабженная специальными разъемами.

И блок доступа и блок питания приемопередатчика всегда устанавливаются внутри помещения и рядом с друг с другом. Оба крепятся на стене или в стойке, которая используется для оборудования ЛВС.

Для успешного монтажа необходимо выполнить ряд требований:

• здания должны находится в пределах прямой видимости. На всем пути луч не должен встречать непрозрачных препятствий.
• устройства должны располагаться на некотором возвышении над землей. Особенно это требование актуально для городских условий. Лучше, если никто не сможет задеть подобное устройство. Это может плохо кончиться как для пешехода, так и для БОКСа. Учитывая страсть наших граждан к свободно стоящей (висящей) аппаратуре, то будет лучше, если устройство будет находиться как можно выше над землей и в трудно доступном месте;
• при установке системы следует избегать ориентации приемопередатчиков в направлении восток-запад. Такое, на первый взгляд, специфическое требование объясняется достаточно просто: солнечные лучи могут на несколько минут перекрыть излучение и передача может прекратиться;
• на работу БОКСов может повлиять вибрация. Наличие рядом с устройством работающего генератора может привести к сдвигу трубы и разрыву соединения. Поэтому при выборе места крепления смотрите, чтобы вблизи не было моторов, компрессоров и т.д.

Типовые приложения

Точка-точка

Длина соединения "точка-точка" варьируется в зависимости от конкретной модели оборудования. При создании такого соединения следует всегда выбирать трассу таким образом, чтобы исключить появление в будущем непреодолимых препятствий, например рост деревьев. Установка приемопередатчиков может быть осуществлена как на крыше здания, так и на стене. Идеальная альтернатива любому кабельному решению по цене, скорости установки, ликвидности капиталовложений.

Точка доступа

Магистраль

Стандарт Ethernet (IEEE 802.3) определил, что между двумя узлами локальной сети может находиться не более 4 активных устройств: HUB-ов, репитеров. Однако это ограничение легко устраняется с помощью более интеллекутуальных устройств: коммутаторов, мостов, маршрутизаторов.

Наше оборудование (для локальных сетей) не относится к классу активных или пассивных устройств Ethernet, а является конвертером электрических сигналов в оптические. Поэтому при создании магистралей ограничение на 4 активных устройства не будет действовать, если в точке соединения двух отрезков магистрали для связи двух приемопередатчиков используется cross — over кабель. При соблюдении этого правила протяженность магистрали теоретически не ограничена.

Комбинация

На практике, наверное, этот способ самый распространенный. Он позволяет моделировать коммуникационную инфраструктуру в соответствии с решаемой задачей, целесообразностью, ценой и эффективностью. В умелом применении всех способов и технологий на практике состоит искусство системной интеграции.

Заключение

Так что же выбрать? Возможно, на этот вопрос поможет ответить таблица, приведенная ниже.

Практический опыт петербургской компании "Компьютерные системы Акрополис", которая в рамках долгосрочного проекта с ОАО "Пивоваренная компания Тульское пиво" применила БОКСы для объединения в единую корпоративную сеть вычислительных средств завода показал, что:

• оборудование стабильно работает в условиях прямой видимости соединяемых объектов на расстояниях до 500м (модель БОКС-10М) и до 1000 м (модель БОКС-10МПД);
• при этом обеспечивается надежная связь практически при любых погодных условиях;
• достигаемое качество связи аналогично использованию обычного медного или оптоволоконного кабеля;
• канал позволяет обмениваться данными на скоростях 10 Мб/с (комплект 10М), или 20 Мб/c (для 10МПД);
• решение по установке ИК — оборудования позволило снизить общую стоимость проекта (включая стоимость оборудования и проделанных работ) на 60-70%.

ВОЛС — это система, основывающаяся на передаче данных посредством оптического волокна.

Волоконно-оптическая линия связи способствует надежной передаче данных, обладает высокими показателями качества связи. Система способна работать вне зависимости от наличия электромагнитных помех, а также на больших расстояниях функционирует без усилителей.

В основе этого метода передачи информации лежит использование технологии волоконной оптики, когда свет является носителем данных.

Составляющие элементы ВОЛС

Принято разделять оборудование ВОЛС на активные и пассивные элементы.

Упрощенная схема действия всех компонентов заключается в нахождении на одном конце кабеля светодиода или лазерного диода, который передает сигнал.

Во время передачи данных инфракрасный диод создает импульс согласно с типом сигнала. Фотокодектор на другом конце волокна принимает и преобразует световой сигнал в электрический.

К активным компонентам системы относят:

• мультиплексор — устройство, соединяющее несколько сигналов в единственный;
• усилитель — позволяет увеличить мощность передаваемого сигнала;
• светодиоды и лазерные диоды — источник света в кабеле;
• фотодиод — приниматель сигнала на конечной части волокна, осуществляет преобразование полученного сигнала;
• модулятор — устройство преобразования сигнала из электрического в оптический.

Пассивные элементы ВОЛС:

• оптоволоконный кабель — среда, через которую передается сигнал;
• оптическая муфта — соединяет несколько волокон;
• оптический кросс — устройство на конце кабеля, подключающее его к активным элементам;
• спайки — производят сращивание волокон;
• разъемы — приспособления для отключения или подсоединения кабеля;
• ответвители — устройства по распределению мощности оптики из нескольких волокон в единственный;
• коммутаторы — оборудование для перераспределения оптических сигналов.

Строительство ВОЛС

Перед началом работ, связанных со строительством ВОЛС, необходимо провести ряд предварительных работ, то есть создать проект ВОЛС.

Задачами его является определение пропускных возможностей будущих линий связи; исследование среды, через которую будет пролегать система; расчет массы, объемов и общей стоимости всей ВОЛС; создание защитной системы для линии связи; обеспечение безопасности передаваемых данных.

Проектирование и строительство ВОЛС предусматривает установку оборудования, подготовку среды для проведения кабеля, производится закупка оборудования. Организовывается получение технических условий для монтажа линий связи.

После проведения вышеперечисленных этапов по проектированию и подготовки к работам, осуществляется монтаж оборудования: прокладка кабеля в грунте, канализации, коллекторах; установка модулей, крепление муфт, установка всех активных компонентов. После установки необходимого оборудования производятся мероприятия по созданию безопасных условий для кабеля.

Готовый участок линии связи тестируют по основным свойствам.

Виды измерений

Тестирование волоконно-оптической линии связи совершается путем проведения двух видов измерений. Первый вид оценивает затухание сигнала от одного конца кабеля до другого. С одной стороны подключается лазер, с другой фотодиод. Изменение тока данных между двумя компонентами свидетельствует о потерях в волокне. Прибор, с помощью которого происходит выявление затухания сигнала, называется оптический тестер.

Минус этого оборудования заключается в невозможности определения места повреждения, из-за которого происходят потери.

Второй вид измерений ВОЛС — это с помощью оптического рефлектометра. Прибор определяет месторасположение в кабеле дефектов, делает замеры потери сигнала в любой части волокна. Данные выводятся на экран в виде графиков, с помощью которых видны уровни сигнала и расстояния между разными точками всей системы.

Оптический бюджет

Оптический бюджет характеризует максимальное затухание в линии, которое возможно в линии связи. Функционирование возможно при не превышении величины бюджета. Все элементы системы разделяют на создающие в кабеле сигнал и на снижающие его, способствующие затуханию потока данных.

Элементами создающими сигнал являются трансиверы и усилители. Все остальные элементы и оборудование создают помехи и влияют на потерю сигнала.

Компании-производители систем указывают в документации расчет ВОЛС.

Произведение вычислений основывается на учете источников затухания в волокне, мультиплексоры, модули, участки соединения, наличие разветвлений. Для расчета оптического бюджета ВОЛС необходимо наличие данных о длине замеряемого участка волокна в км, количество соединение на оптических панелях, число сварочных скреплений.

Чтобы обеспечить надежность работы всей системы требуется брать во внимание возможность увеличения потерь сигнала за счет внешних факторов, независящих от самой линии, а также за счет старения оборудования.

В ВОЛС (волоконно-оптические линии связи) для передачи сигнала используются волны в оптическом диапазоне (чаще всего — в ближнем инфракрасном). Основной составляющей при этом является оптический кабель, а в сеть кроме него входят активные и пассивные компоненты для усиления, фильтрации, защиты и модификации сигнала.

Применение ВОЛС

На сегодняшний день ВОЛС (ВОЛП) постепенно вытесняют традиционную кабельную проводку, поскольку отличаются намного лучшими характеристиками, в частности, большей пропускной способностью, невосприимчивостью к воздействию окружающей среды, меньшим затуханием сигнала и др.

Основной сферой применения ВОЛС являются сети передачи информационных сигналов (вычислительные сети, видеонаблюдения, телекоммуникационные системы контроля доступа и др.).

При этом на уровне магистральных (вплоть до межконтинентальных) линий передачи сигналов оптоволокно занимает уже сейчас доминирующее положение, тогда как в подсистемах внутренних магистралей ВОЛП используется наряду с витой парой.

Характеристики типов оптического волокна

Сравнение типов оптических кабелей (для увеличения изображения — ):

Главные преимущества ВОЛС

1. Малое затухание сигнала (порядка 0,15 дБ/км в 3-м окне прозрачности). Это даёт возможность транслировать информацию на существенно большие дистанции относительно традиционной проводки без применения усилителей. Для оптических линий усилители обычно устанавливаются через 40-120 км, что определяется классом оконечного оборудования;
2. малый вес и габариты;
3. высокий уровень экранированности линий от межволоконных влияний (более 100 дБ).
   

   Таким образом, излучение соседних линий практически не взаимодействует между собой и не оказывает взаимного влияния;

4. высокая взрыво- и пожаробезопасность в ситуациях изменения химических или физических параметров;
5. информационная безопасность. Через оптоволокно информация транслируется из точки в точку, причём перехватить или подслушать сигнал возможно исключительно при физическом вмешательстве в ;
6. оптические волокна обладают высокой надёжностью и долговечностью. Оптические волокна не подвержены окислению, слабому электромагнитному воздействию и разрушению под действием влаги;
7. высокая пропускная способность. Другие способы передачи информации отстают по этому показателю от оптической среды.

Недостатки ВОЛС

1. низкая устойчивость стандартного волокна против радиационного излучения (есть легированные волокна, отличающиеся большой радиационной устойчивостью);
2. большая стоимость оптического оконечного оборудования сравнительно с системами, применяемыми для традиционных линий. Хотя если сравнивать с конечной стоимостью по соотношению затраты на дистанцию и пропускную способность, то оптоволокно сегодня показывает самые лучшие результаты относительно конкурирующих систем;
3. сложность восстановления связи в случаях обрыва линии;
4. сложность преобразования сигнала (для интерфейсного оборудования);
5. сложная технология изготовления волокна, а также других компонентов сети ВОЛС;
6. хрупкость волокна. При значительных деформациях, например, изгибах, волокна могут разрушаться, подвергаться трещинообразованию и замутнению.
   

   Чтобы избежать повреждений волокна, требуется соблюдать рекомендации производителя, где указан среди прочего минимальный радиус изгиба.

В настоящее время в качестве оптических линий связи используют:

• а) оптические линии с использованием волоконно-оптического кабеля - волоконно-оптические линии связи (ВОЛС);
• б) оптические линии связи без использования волоконно-оптического кабеля.

Наилучшие показатели по скорости передачи данных, по помехозащищенности, по защищенности от несанкционированного доступа имеют волоконно-оптические линии связи.

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС)

Структурная схема волоконно-оптической линии связи приведена на рис. 7.11.

Рис. 7.11.

Электрический сигнал поступает на передатчик - трансивер, который преобразует электрический сигнал в световой импульс. Последний через оптический соединитель подается в оптический кабель. В месте приема оптический кабель с помощью оптического соединителя подключатся к приемнику - трансиверу, преобразующему пучок света в электрический сигнал.

В зависимости от назначения ВОЛС, ее протяженности, качества используемых комплектующих структурная схема может изменяться. При значительных расстояниях между пунктами передачи и приема вводится ретранслятор - усилитель сигналов. При малой длине оптического кабеля (если хватает строительной длины оптического кабеля) сварка кабеля не нужна. Под строительной длиной понимают длину цельного куска кабеля, поставляемого заводом-изготовигелем.

Волоконно-оптические линии связи имеют следующие достоинства:

• 1. Высокую помехозащищенность от внешних электромагнитных помех и от межканальных взаимонаводок.
• 2. Широкий диапазон рабочих частот позволяет по такой линии связи передавать информацию со скоростью 10 |2 бит/с = Тбит/с.
• 3. Защищенность от несанкционированного доступа: излучения в окружающее пространство ВОЛС почти не дает, а изготовление отводов оптической энергии без разрушения кабеля практически невозможно. А всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы с помощью мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии.
• 4. Возможность скрытой передачи информации.
• 5. Потенциально низкую стоимость, обусловленную заменой дорогостоящих цветных металлов (медь) материалами с неограниченными сырьевыми ресурсами (двуокись кремния).
• 6. Автоматически обеспечивается гальваническая развязка сегментов линии.

Однако в оптоволоконной технологии имеются и свои недостатки:

• 1. Высокая стоимость аппаратуры.
• 2. Требуется дорогое технологическое оборудование, как в процессе монтажа, так и в процессе эксплуатации. При обрыве оптического кабеля затраты на его восстановление значительно выше, чем на восстановление медного кабеля.
• 3. Оптические кабели нестойки к воздействию радиации.

Основу ВОЛС составляют оптические кабели, изготавливаемые из

отдельных световодов - оптических волокон.

Оптическое волокно представляет собой тонкую двухслойную нить, состоящую из сердечника и оболочки с различными показателями преломления. Для защиты волокна от атмосферных и механических воздействий поверх светоотражающей оболочки накладывается защитное покрытие. Конструкция оптического волокна с защитным покрытием представлена на рис.7.12.

Рис. 7.12.

Используются 3 типа оптических волокон: полимерные оптические волокна (POF = Plastic Optical Fiber), кварц-полимерные оптические волокна (PCF = Polymer Cladded Fiber), кварцевые оптические волокна (GOF = Glass Optical Fiber).

Полимерные оптические волокна изготавливаются из полимерных материалов, имеющих высокие оптические свойства. Волоконно- оптические кабели из полимерного оптического волокна характеризуются хорошей гибкостью (при диаметре волокна 1,5 мм допустимый радиус изгиба волокон равен 8 мм) и обеспечивают пропускную способность до 2,5 Гбит/с, что существенно выше, чем у витой пары (max 1 Гбит/с). Дальность передачи данных - до 80 м.

POF используется в настоящее время достаточно широко. Его используют для систем декоративного, архитектурного и ландшафтного освещения, для подсветки бассейнов, для безопасного освещения взрывоопасных помещений. Еще одной областью применения можно считать использование POF для изготовления систем визуальной индикации информационных панелей бытовой, автомобильной, промышленной и медицинской электроники. ПОВ применяют для создания высокоскоростных недорогих, свободных от электромагнитных помех линий передачи данных на небольшие расстояния (системы автоматизации технологических процессов, передача сигналов от видеокамер, оптических датчиков; локальные вычислительные сети). Например, ПОВ-кабели используются в промышленном стандарте PROFIBUS. На рис.7.13 приведен внешний вид такого кабеля с установленным соединителем.

Кварц-полимерные оптические волокна изготавливаются с кварцевым сердечником и полимерной светоотражающей оболочкой и предназначены для систем внутри- и межобъектовой связи. Дальность передачи данных до 400 м, радиус многократных изгибов кабеля - не менее

75 мм. PCF-кабсли поставляются заранее разделанными с установленными соединителями. Внешний вид одного из таких кабелей приведен на рис. 7.13.

Рис. 7.13.

Кварцевые оптические волокна изготавливаются из высокочистого кварцевого стекла (сердечник и светоотражающая оболочка) и применяются гам, где большие объемы данных необходимо передавать на высоких скоростях и на большие расстояния - до нескольких километров (систем дальней, внутри- и межобъектовой связи: локальных компьютерных сетях LAN (Local Area Networks), сетях MAN (Metropolitan Area Networks), сетях WAN (Wide Area Networks)).

Передача оптической энергии по оптическому волокну обеспечивается с помощью эффекта полного внутреннего отражения. Кварцевое оптическое волокно представляет собой двухслойный цилиндрический световод (рис. 7.14).

Рис. 7.

в оптоволокне

Материал внутренней жилы имеет показатель преломления п и а материал внешнего слоя - п 2 , при этом п > п 2 , т. е. материал внутренней жилы оптически более плотный, чем материал оболочки. Для излучения, входящего в цилиндр под малыми углами по отношению к оси цилиндра, выполняется условие полного внутреннего отражения: при падении излучения на границу с оболочкой вся энергия излучения отражается внутрь жилы световода. То же самое происходит и при всех последующих отражениях; в результате излучение распространяется вдоль оси световода, не выходя через оболочку. Максимальный угол отклонения от оси, при котором еще имеется полное внутреннее отражение, определяется выражением

Величина А 0 называется числовой апертурой световода и учитывается при согласовании световода с излучателем. Излучение, падающее на торец под углами у >уо (внеапертурные лучи), при взаимодействии с оболочкой не только отражается, но и преломляется; часть оптической энергии уходит из световода. В конечном итоге после многократных встреч с границей жила-оболочка такое излучение полностью рассеивается из световода.

Оптоволокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: дисперсией и затуханием.

Дисперсия, т. е. зависимость скорости распространения сигнала от длины волны излучения, - важнейший параметр оптического волокна. Поскольку при передаче информации светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространении по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке дисперсии пользуются термином «полоса пропускания» - величина, обратная величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в мегагерцах на километр (МГц км). Дисперсия накладывает ограничения на дальность передачи и верхнее значение частоты передаваемых сигналов.

Затухание определяется потерями на поглощение и рассеяние излучения в оптоволокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, а потери на рассеяние - от неоднородности его показателей преломления. Зависит затухание и от длины волны излучения, вводимого в оптоволокно.

Количественно затухание определяется по формуле

где Р вх - мощность входного оптического сигнала; Р еих - мощность выходного оптического сигнала; / - длина световода.

Единицей измерении затухания служит децибелл на километр (дБ/км).

Величины затухания и дисперсии различаются для разных типов кварцевых оптических волокон.

В зависимости от диаметра и профиля показателя преломления в направлении от центра к периферии в поперечном сечении световода они делятся на многомодовые со ступенчатым профилем показателя преломления, одномодовые волокна, многомодовые волокна с градиентным изменением показателя преломления. На рис. 7.15 приведены пути распространения света в различных типах оптоволокна.

Рис. 7.15.

Волокно на (рис.7.15, а) называется волокном со ступенчатым профилем показателя преломления и многомодовым, поскольку для распространения луча света существует много возможных путей, или мод. Это множество мод приводит к дисперсии (уширению) импульса, поскольку каждая мода проходит в волокне различный путь, а поэтому разные моды имеют разную задержку передачи, проходя от одного конца волокна до другого. Результат этого явления - ограничение максимальной частоты, которую можно эффективно передавать при данной длине волокна. Увеличение или частоты, или длины волокна сверх предельных значений, по существу, приводит к слиянию следующих друг за другом импульсов, из-за чего их становится невозможно различить. Для типового многомодового волокна этот предел равен примерно 15 МГц км. Это означает, что видеосигнал с полосой, например, 5 МГц может быть передан на максимальное расстояние в 3 км (5 МГц? 3 км = 15 МГц км). Попытка передать сигнал набольшее расстояние приведет к прогрессирующей потере высоких частот. В многомодовом волокне диаметр световой жилы составляет 50; 62,5; 85; 140 мкм.

Одномодовые волокна (рис.7.15, Ь) весьма эффективно снижают дисперсию, и результирующая полоса - во много ГГц км - делает их идеальными для протяженных линий связи. По одномодовым световодам в идеальном случае распространяется только одна волна. Они обладают значительно меньшим коэффициентом затухания (в зависимости от длины волны в 2...4 и даже в 7... 10 раз) по сравнению с многомодовыми и наибольшей пропускной способностью, т. к. в них почти не искажается сигнал. Но для этого диаметр сердцевины световода должен быть соизмерим с длиной волны. Практически диаметр равен 8... 10 мкм. К сожалению, волокно столь малого диаметра требует применения мощного, прецизионно совмещенного, а поэтому сравнительно дорогостоящего излучателя на лазерном диоде, что снижает их привлекательность для многих применений.

В идеале требуется волокно с полосой пропускания того же порядка, что и одномодового волокна, но с диаметром, как у многомодового, чтобы было возможно применение недорогих передатчиков на светодиодах. До некоторой степени этим требованиям удовлетворяет многомодовое волокно с градиентным изменением показателя преломления (рис. 7.15, с). Оно напоминает многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления, о котором говорилось выше, но показатель преломления его сердцевины неоднороден - он плавно изменяется от максимального значения в центре до меньших значений на периферии. Это приводит к двум следствиям. Первое - свет распространяется по слегка изгибающемуся пути, и второе, и более важное, различия в задержке распространения разных мод минимальны. Это связано с тем, что высокие моды, входящие в волокно под большим углом и проходящие больший путь, на самом деле начинают распространяться с большей скоростью по мерс того, как они удаляются от центра в зону, где показатель преломления снижается, и в основном движутся быстрее, чем моды низших порядков, остающиеся вблизи оси волокна, в области высокого показателя преломления. Увеличение скорости как раз компенсирует больший проходимый путь.

Градиентные многомодовые световоды предпочтительнее, т. к. в них, во-первых, распространяется меньше мод и, во-вторых, меньше различаются их углы падения и отражения, а следовательно, благоприятнее условия передачи.

Хотя многомодовые волокна с градиентным показателем преломления не являются идеальными, но тем не менее они демонстрируют весьма неплохие значения полосы. Поэтому в большинстве систем малой и средней протяженности выбор такого типа волокон оказывается предпочтительным.

Оптический сигнал затухает во всех волокнах со скоростью, зависящей от длины волны передатчика источника света. Существует три длины волны, на которых затухание оптического волокна обычно минимально, - 850, 1310 и 1550 нм. Они известны как окна прозрачности. Для многомодовых систем окно на длине волны в 850 нм - первое и наиболее часто используемое (наименьшая цена оптоволоконной линии связи). На этой длине волны градиентное многомодовое волокно хорошего качества показывает затухание порядка 3 дБ/км, что делает возможной реализацию связи на расстояниях свыше 3 км.

На длине волны 1310 нм то же самое волокно показывает еще меньшее затухание - 0,7 дБ/км, позволяя тем самым пропорционально увеличить дальность связи примерно до 12 км; 1310 нм - это также первое рабочее окно для одномодовых оптоволоконных систем, затухание при этом составляет около 0,4 дБ/км, что в сочетании с передатчиками на лазерных диодах позволяет создавать линии связи длиной свыше 50 км. Второе окно прозрачности - 1550 нм - используется для создания еще более длинных линий связи (затухание волокна - менее 0,24 дБ/км).

Значения затухания в различных окнах прозрачности в многомодовых и одномодовых световодах приведены в табл. 7.3.

Таблица 7.3

Значения затухания в многомодовых и одномодовых световодах

Для связи приемника и передатчика используется волоконно- оптический кабель (ВОК), в котором оптические волокна дополняются элементами, повышающими эластичность и прочность кабеля, защиту кабеля от внешних факторов. Различают кабели для внутренней прокладки, кабель для использования вне помещений (кабели, которые могут закапываться в грунт; кабели, которые прокладываются в специальных канализациях; кабели, которые подвешиваются на открытом пространстве), кабели для подводных протяженных линий связи.

Почти вес европейские производители наносят на оптоволоконный кабель маркировку, соответствующую системе стандарта DIN VDE 0888. По этому стандарту каждому типу кабеля ставится в соответствие последовательность букв и цифр, в которых заключены все характеристики волоконно-оптических кабелей. Отечественные производители используют свою классификацию и свою систему обозначений.

Временный выход из строя оптического кабеля или отсутствие возможности прокладки кабеля, необходимость высокой защищенности от электромагнитных помех и перехвата привело к созданию беска- бельных оптических линий связи с различной дальностью связи.

Оптические линии связи без использования волоконно-оптического кабеля разделяют на оптические линии с большой дальностью связи и локальные беспроводные оптические линии.

Идеология бескабельной оптики основана на том, что оптический канал заменяет кабель.