Общие сведения о волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС)

1.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОЛОКОННООПТИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ СВЯЗИ (ВОЛС)
Родин Александр Алексеевич
Ведущий инженер ЛС СС
ООО «Газпром трансгаз Томск»
1

2.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОЛС
Краткий обзор по истории развития оптической связи
Использование света для передачи информации имеет давнюю историю.
Световыми сигналами пользовались еще тогда, когда и не существовало понятия
«электрическая связь». В тот период в качестве источников оптического
излучения использовали Солнце или костры. Лучи света, моделированные
дымом, лопастями семафора или иными приспособлениями, передавались в
пределах прямой видимости. Первые примеры использования такой связи
относятся ко времени гибели Трои (1269 г. до н.э.). Но и сегодня военно-морской
флот использует флажки, светофоры для передачи информации. Более чем 200летний этап проходил в постепенном усовершенствовании световых линий
передачи сигналов на большие расстояния.
Так, во Франции около 1794 г. Клод Шапп построил от Парижа до Лилля
систему оптического телеграфа из цепи семафорных башен с подвижными
сигнальными рейками. Информацию можно было передать по ней на расстояние
230 км в течение 15 мин.
В России в 1795 г. И. П. Кулибин разработал свой семафорный телеграф,
использовавший более чем в 40 раз меньшее число знаков. Телеграф Кулибина
работал и ночью. В США оптический телеграф соединял Бостон с островом Марта
Вайнярд, расположенным недалеко от этого города. Все эти системы устарели
лишь с изобретением электрического телеграфа.

3.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОЛС
Американец Александр Грэхем Белл в 1880 г. изобрел фотофон, в котором
речевые сигналы могли передаваться с помощью света. Однако эта идея не
нашла практического применения, поскольку погодные условия и видимость
слишком отрицательно влияли на качество передачи. Английский физик Джон
Тиндаль предложил решение этой проблемы в 1870 г., незадолго до изобретения
Белла. Он продемонстрировал, что свет может передаваться в потоке воды. В его
эксперименте использовался принцип полного внутреннего отражения, который
также применяется в современных волоконных световодах.
Принцип передачи света, используемый в волоконной оптике, был впервые
продемонстрирован в XIX веке, но повсеместное применение было затруднено
отсутствием соответствующих технологий.
В 1934 г. американец Норман Р. Френч получил патент на оптическую
телефонную систему, речевые сигналы в которой передавались при помощи
света по стержням чистого стекла.
Современная эра оптической связи началась с изобретением в 1958 г.
лазера и последовавшем вскоре, в 1961 г., созданием первых лазеров. По
сравнению с оптическим излучением обычных источников лазерное излучение
обладает высокой монохроматичностью и когерентностью и имеет очень
большую интенсивность.

4.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОЛС
Мо́нохро́мное излуче́ние (от др.-греч. μόνος — один, χρῶμα — цвет) —
электромагнитное излучение , обладающее очень малым разбросом частот, в
идеале — одной частотой ( длиной волны )
Когерентность – постоянство разности фаз, для лазера определяет высокую
направленность и фокусировку излучения
Возможность изготовления лазеров из полупроводниковых материалов
получила признание в 1962 г. В это же время были разработаны элементы
приемника в виде полупроводниковых фотодиодов. Тогда оставалась
нерешенной еще одна проблема – разработка подходящей передающей среды.
Первые в мире коллективные исследования возможности создания
широкополосных линий передачи на основе волоконных световодов в СССР
начаты в 1957 г., частичные результаты которых опубликованы в 1961 г. В 1958 г.
советские специалисты В.В. Варгин и Т.Н. Вейнберг доказали, что
светопоглощение идеально чистого стекла очень мало и лежит за пределами
чувствительности измерительных приборов».

5.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОЛС
В 1966 г. к этим же результатам пришли и английские ученые Г. Као и
Джордж А. Хокхэм. Они опубликовали статьи о том, что оптические волокна могут
использоваться, как средства передачи при достижении прозрачности,
обеспечивающей затухание менее 20 дБ/км. Кроме того, они пришли к выводу,
что высокий уровень затухания, присущий первым волокнам (около 1 000
дБ/км), связан с присутствующими в стекле примесями. Этими учеными был
также указан путь создания пригодных для телекоммуникации волокон,
связанный с уменьшением уровня примесей в стекле.
В 1970 г. фирма Корнинг Гласе Уоркс (позднее переименованная в
Корнинг Инкорпорэйтид) произвела оптические волокна со ступенчатым
профилем показателя преломления и достигла коэффициента затухания
менее 20 дБ/км на длине волны 633 нм. Световоды с градиентным
профилем показателя преломления в 1972 г. имели затухание 4 дБ/км. В
настоящее время в одномодовых световодах достигнут коэффициент
затухания 0,2 дБ/км при длине волны 1550 нм. При этом значительно
усовершенствована элементная база оптических передатчиков и
приемников, увеличена как мощность, так и чувствительность, а также срок
службы. Соответствующая кабельная технология в сочетании с разъемными
и неразъемными соединениями для оптических волокон сделала возможным
успешное внедрение этой новой среды распространения.

6.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОЛС
Развитие волоконно-оптической связи
Волоконная оптика в настоящее время получила широкое развитие и
находит применение в различных областях науки и производства (связь,
радиоэлектроника, энергетика, термоядерный синтез, медицина, космос,
машиностроение, летающие объекты, вычислительные комплексы и т. д.). Темпы
роста волоконной оптики и оптоэлектроники на мировом рынке опережают все
другие отрасли техники и составляют 40 % в год. Уже сейчас при строительстве
сооружений связи используются в основном оптические кабели (ОК).
В 2018 году исследователи из исследовательского института NICT Network
System и компании Fujikura Ltd, специалисты которой разработали новый тип
трехмодового (трехканального) оптического волокна, провели эксперимент, во
время которого была достигнута скорость передачи информации в 159 терабит в
секунду на расстояние 1045 километров. В обычных условиях задержки при
использовании многомодового оптоволокна мешают одновременно получать
высокие скорости передачи и осуществлять передачу на большие расстояния. И
данное достижение является своего рода демонстрацией нового метода
преодоления ограничений.

7.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОЛС
Развитие волоконно-оптической связи
В 2021 году исследователи из японского Национального института информационных и
коммуникационных технологий поставили эксперимент по передаче данных по
оптоволокну с рекордной скоростью и на огромное расстояние. Улучшенное
оборудование и новый кабель позволили передать данные со скоростью 319 Тбит/с
на расстояние 3001 км. Предполагается, что существующие каналы оптоволоконной
передачи данных захлебнутся в ожидаемом информационном цунами — при
экспоненциальном росте данных от служб и сервисов. Это заставляет исследователей
раз за разом совершенствовать оборудование для приёма и передачи данных и сами
кабели, чтобы тем или иным способом повысить плотность передачи и снизить
вероятность возникновения ошибок.
Для достижения нового рекорда японцы предложили 4-жильный кабель в стандартном
форм-факторе, чтобы не менять всю действующую кабельную инфраструктуру.
Оболочка жил была сделана тоньше, но внешний диаметр волокон остался прежним —
0,125 мм. ?? Предполагается, что это не снизит механическую надёжность волокон,
которая будет сохранена на уровне обычных одномодовых жил.
Кроме четырёх жил в кабеле было предложено использовать мультиплексирование с
разделением по длине волны, а также внедрена новая комбинация различных
технологий усилителей оптического сигнала. В частности, в дополнение к обычно
используемым диапазонам сигнала C и L, задействован диапазон S. Использование
всех трёх диапазонов позволило организовать 552 мультиплексированных канала с
разделением по длине волны (от 1487,8 до 1608,33 нм).

8.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОЛС
Развитие волоконно-оптической связи
В 2020 году Установлен новый рекорд скорости передачи данных по обычному
оптоволокну — 44,2 Тбит/с
Исследователи из австралийских университетов Монаша, Суинберна и
Мельбурна в ходе эксперимента установили новый рекорд скорости при
передачи данных с использованием оптического волокна. Эта скорость передачи
данных составила 44,2 Тбит/с или 5,525 Тбайт/с.
Для понимания: при такой скорости передать содержимое 50 дисков Blu-ray Ultra
HD объёмом 100 Гбайт каждый можно всего за одну секунду.
Подготовка к эксперименту началась с прокладки 75 километров обычного
оптоволоконного кабеля между кампусами Мельбурнского королевского
технологического института, Технологического университета Суинберна и
Университета Монаша.
Для достижения рекордной скорости специалисты использовали
новую технологию микросот (солитоны), которая обеспечила более эффективную
передачу данных. Эти микросоты генерируются внутри волокна кабеля
встроенными резонаторами с микроплоскостями. По словам исследователей,
технология впервые была испытана в реальных условиях.

9.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОЛС
Развитие волоконно-оптической связи
2021 году Corning представляет оптическое волокно, позволяющее ускорить трансформацию
сетей под 5G
Corning SMF-28® Contour – это новое волокно, обладающее высокой стойкостью к изгибам ,
низким затуханием и полностью совместимое с предыдущими поколениями волокон
Уникальная комбинация характеристик SMF-28 Contourпозволит операторам экономически
эффективно строить сети для решения не только сегодняшних, но и будущих задач.
Волокно SMF-28 Contour соответствует рекомендации ITU-T G.657.A2. Оно обладает стойкостью к
макроизгибным потерям в десять раз лучшей, чем волокна G.652.D, и в семь раз лучшей, чем
волокна G.657.A1. Одновременно с этим улучшаются и микроизгибные характеристики, а это
делает возможным дальнейшее увеличение числа волокон в многоволоконных кабелях,
необходимых для создания сетей большой емкости.
Совместимость с уже проложенным волокном и при этом высокая стойкость к изгибам.Ряд других
волокон категории G.657.A2 также имеют хорошие изгибные свойства, но достигаются они путём
компромисса – за счёт уменьшения диаметра модового пятна. В случае волокна SMF-28 Contour
диаметр модового пятна остаётся без изменения – 9,2 микрометра.
Волокно SMF-28 Contour выпускается в двух исполнениях – стандартном, с диаметром покрытия
242 микрометра, и уменьшенном, с диаметром покрытия 190 микрометров. Волокно с
уменьшенным диаметром покрытия пользуется растущей популярностью в связи с тем, что при
росте спроса на пропускную способность места для прокладки кабеля не становится больше.
Волокно SMF-28 Contour с диаметром покрытия 190 микрометров позволяет уменьшить диаметр
кабеля, увеличив при этом количество волокон в кабеле, что в свою очередь даёт
возможность использовать имеющуюся инфраструктуру для прокладки кабеля наилучшим
образом.

10.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОЛС
2021 году Стартовало строительство ПВОЛС “Полярный Экспресс”
УПТ будет использовать в проекте подводный кабель с двойной броней, вес которого может достигать 2,5 т на 1 км. На судакабелеукладчики загружено 1250 км кабеля, а его вес составляет 2,5 тыс. тонн
5 августа 2021 г. судно-кабелеукладчик “Нортэн Вэйв”, построенное в 2002 г. в Норвегии и ходящее под российским флагом,
стартовало из Мурманска, который является его портом приписки, и взяло курс на Териберку. С 2018 г. “Нортэн Вэйв”
принадлежит группе компаний УПТ. Прямо на борт этого судна с нового завода перегружено 400 км кабеля. Уже 6 августа
водолазы УПТ при помощи специальной муфты соединили 4-километровый кабель, уходящий в море из береговой станции в
Териберке, с кабелем на борту “Нортэн Вэйв”. Вблизи от берега кабель заглубили в дно водолазы, а далее прокладкой на
глубине занялось судно-кабелеукладчик. Береговую станцию в Териберке УПТ создала еще в 2020 г.
Протяженность кабельной линии между Териберкой и Амдермой, которая стоит на берегу Карского моря, составит 1250 км.
Основную часть прокладки обеспечит второе судно, также находящееся в собственности УПТ, – “Яуза”. Это судно усиленного
ледового класса, водоизмещением 11 тыс. тонн, в 2008-2012 гг. проходило модернизацию на снежногорском судоремонтном
заводе “Нерпа”. К 5 августа на его борту оказался весь кабель, необходимый для участка Териберка – Амдерма.
Генеральный директор АО “Управление перспективных технологий” Алексей Стрельченко пояснил, что практически весь кабель
будет укладываться на морское дно с заглублением до 1,5 м при помощи подводного плуга. По его словам, в Баренцевом море
это делается для защиты от человеческого фактора (прежде всего, траления и постановки судов на якорь, что может повредить
оптический кабель), а в морях более высоких широт (Карском, Лаптевых) – против экзарации, или ледникового выпахивания.
Эти моря имеют малые глубины – 200-300 м, а местами и 40-50 м, и бороздящие дно торосистые образования опасны для
кабеля.
УПТ будет использовать в проекте подводный кабель с двойной броней, вес которого может достигать 2,5 т на 1 км. “На наши
суда-кабелеукладчики загружено 1250 км кабеля, а его вес составляет 2,5 тыс. тонн, – сообщил Алексей Стрельченко. – Потому
производство такого кабеля во всем мире размещают на берегу”.
УПТ запустила завод по производству оптического кабеля в Мурманске 30 июля, в присутствии губернатора Мурманской
области Андрея Чибиса. По данным Алексея Стрельченко, производственные мощности этого завода позволяют выпускать
примерно 150 км кабеля в месяц (или около 2000 км в год). В 2022 г. УПТ намерена нарастить мощности для годового
производства 3000 км подводного кабеля. Алексей Стрельченко уточнил, что судно может прокладывать 7-7,5 миль кабеля в
сутки при заглублении или 25 миль в сутки – без заглубления.
УПТ и “Морсвязьспутник” подтвердили, что кабель “Полярный экспресс” будет насчитывать 12 волокон: 4 волокна (или две
пары) зайдут в запланированные порты российского арктического побережья и обеспечат скорость до 10 Тбит/с, еще две
пары запланированы для транзита трафика Териберка – Владивосток (также 10 Тбит/с), а две оставшиеся пары останутся для
резервирования и международного транзита

11.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОЛС
Президент России поручил добиться повышения спроса на отечественное оптоволокно
По оценкам АО «Оптиковолоконные Системы», объем потребления оптического волокна в России составляет около 7 млн
км в год. В рамках перечня поручений по социально-экономическому развитию Республики Мордовия Президент РФ
Владимир Путин поставил задачу повышения спроса на оптическое волокно отечественного производства. Срок
исполнения этого поручения установлен до 1 декабря 2021 года.
По оценкам АО «Оптиковолоконные Системы», объем потребления оптического волокна в России составляет около 7 млн
км в год. При этом по количеству проложенного волокна на душу населения Россия в 3-4 раза отстает от мировых лидеров.
Международный опыт показывает, что страны-мировые лидеры по развитию телекоммуникационных сетей связи отдают
наивысший приоритет модернизации национальной телекоммуникационной инфраструктуры, как неотъемлемого условия
социально-экономического развития государства.
Еще в 2020 г. Глава государства также определил курс на цифровое развитие страны. Указом Президента Российской
Федерации В.В. Путина «О национальных целях развития России до 2030 года» предусмотрен «рост доли домохозяйств,
которым обеспечена возможность широкополосного доступа к информационно-телекоммуникационной сети Интернет, до
97 процентов; увеличение вложений в отечественные решения в сфере информационных технологий в четыре раза по
сравнению с показателем 2019 года».
Также в настоящее время в рамках федерального проект «Информационная инфраструктура» национальной программы
«Цифровая экономика Российской Федерации» реализуется мероприятие по подключению социально значимых объектов
к сети Интернет, в рамках которого за счет средств федерального бюджета осуществляется оказание услуги доступа в сеть
Интернет и услуги передачи данных с помощью строительства волоконно-оптических линий связи для 68 235 социально
значимых объектов на территории Российской Федерации.
Таким образом можно с уверенность говорить, что реализация столь масштабных государственных задач создаст условия
для роста потребления оптического волокна в России. На этом фоне все актуальнее становится вопрос строительства
второго пускового комплекса завода ОВС для увеличения производственных мощностей и обеспечения гарантированных
поставок отечественного оптического волокна высокого качества.

12.

ДОСТОИНСТВА ВОЛС
Передача информации по ВОЛС имеет целый ряд достоинств перед
передачей по медному кабелю. Стремительное внедрение в информационные
сети ВОЛС является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей
распространения сигнала в оптическом волокне.
Широкая полоса пропускания - обусловлена чрезвычайно высокой частотой
несущей 1014Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному
оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая
полоса пропускания - это одно из наиболее важных преимуществ оптического
волокна над медной или любой другой средой передачи информации.
Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время
отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое
волокно имеет затухание 0,2дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один
километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки
линий без ретрансляции протяженностью более 100 км .
Пример: У коаксиального кабеля затухание 0,13 дБ/м на частоте 100 МГц
0,5 дБ/м на частоте 1000 МГц
Витая пара имеет затухание 0,22 дБ/м на частоте 100 МГц

13.

ДОСТОИНСТВА ВОЛС
Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу
пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с малой избыточностью
кода.
Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического
материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны
окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного
индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи,
электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не
возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей
многопарным медным кабелям. Полная нечувствительность оптоволоконного кабеля
к внешним электрическим помехам и наводкам обеспечивает устойчивую работу
системы передачи информации в сложной электромагнитной обстановке,
характерной для промышленных объектов.
Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем
(диаметр) по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную
способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см, может
быть заменен одним волокном с диаметром 0,1 см. Если волокно "одеть" в множество
защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого ВОК будет
1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.
Это также существенно упрощает процесс прокладки кабеля и расширяет сферу
его применения.

14.

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

15.

ДОСТОИНСТВА ВОЛС
Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического
волокна заключается в его изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать
электрических "земельных" петель, которые могут возникать, когда два сетевых
устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем,
имеют заземления в разных точках здания, например на разных этажах. При этом
может возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое
оборудование. Для волокна этой проблемы просто нет.
Благодаря тому, что оптические сигналы не требуют заземления, источник и
приемник видеосигнала изолированы друг от друга и, следовательно, свободны от
проблем, связанных с организацией заземляющего контура и выравнивания
потенциалов. Отсутствие проблемы заземления при передаче видеосигналов и
защита от искрения и возгорания делают оптоволоконный кабель самым
приемлемым для использования в системах наблюдения, где требуется
соблюдение повышенных требований взрыво- и пожаробезопасности.

16.

ДОСТОИНСТВА ВОЛС
Взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое
волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих
предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного
риска.
Экономичность ВОК. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет
двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала,
в отличии от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к
медной паре соотносится как 2:5. При этом ВОК позволяет передавать сигналы
на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей
на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК. При
использовании солитонных систем передачи достигнуты дальности в 4000 км без
регенерации (то есть только с использованием оптических усилителей на
промежуточных узлах) при скорости передачи выше 10 Гбит/с. Запасы песка на
планете, в отличие от меди, вряд ли будут истощены в ближайшем будущем.
Соотношение цены и пропускной способности для ВОЛП лучше, чем для других
систем.

17.

ДОСТОИНСТВА ВОЛС
Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию.
Это означает, что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает.
Однако, благодаря совершенству современных технологий производства
оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК
составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько
поколений/стандартов приемо-передающих систем.
Простота модификации. (высокий потенциал для модернизации)Волоконнооптические сети можно модернизировать для передачи большего объёма
видеоинформации путем замены только приемопередающего оборудования. С
другой стороны, часть или даже всю сеть можно использовать для решения других
задач, например, объединения в одной транспортной среде системы охранного
телевидения и локальной вычислительной сети
Удаленное электропитание. В некоторых случаях требуется удаленное
электропитание узла информационной сети. Оптическое волокно не способно
выполнять функции силового кабеля. Однако, в этих случаях можно использовать
смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается
медным проводящим элементом. Такой кабель широко используется как в
России, так и за рубежом.

18.

НЕДОСТАТКИ ВОЛС
Водородная коррозия стекла, приводящая к микротрещинам
световода и ухудшению его свойств.
Относительная хрупкость оптического волокна. При сильном
изгибании кабеля (особенно, если в качестве силового элемента
используется стеклопластиковый пруток) возможна поломка волокон
или их замутнение из-за возникновения микротрещин.
Замутнение волокна с течением времени вследствие старения.
Подверженность волоконных световодов радиации, за счет которой
появляются пятна затемнения и возрастает затухание.
Сложность соединения в случае разрыва.

19.

СРАВНЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА И ВИТОЙ ПАРЫ
Главные преимущества функционирования сети с использованием ВОК
следующие: большие расстояния между станциями (пунктами ретрансляции);
высокая помехозащищенность; отсутствие излучаемых помех; высокая
степень защищенности от несанкционированного доступа; гальваническая
развязка; взрыво и пожаробезопасность.
Причины, по которым заказчик может предпочесть медный кабель
волоконно-оптическому, следующие:
Низкая стоимость подключения к рабочей станции. Витые пары могут
существенно уменьшить затраты на сетевое оборудование, так как они не
требуют установки дорогостоящих оптических приемопередатчиков и
пассивных компонентов волоконной оптики.
Низкая стоимость восстановления обрывов. Для устранения обрыва витой
пары не требуется дорогостоящее специальное монтажное оборудование,
как в случае обрыва оптического кабеля. Можно также целиком заменить
поврежденную витую пару, что оправдано ее низкой стоимостью.
Удобство использования в небольших рабочих группах. Это удобство является
следствием низкой стоимости концентратора, объединяющего витые пары.

20.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОЛС
Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) - это вид системы передачи, при
котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам,
известным под названием "оптическое волокно".
Структурная схема ВОЛС, применяемой для создания подсистемы внешних
магистралей, изображена на рисунке:

21.

ЗАКОН ОПТИКИ (ЗАКОН СНЕЛИУСА)
Породить световую волну довольно просто, не так-то просто ее сохранить и
управлять ею. Однако это возможно, если использовать оптические законы
распространения света. В оптоволоконных технологиях используется волновая
теория света. Т.е. свет рассматривается как электромагнитная волна
определенной длины. Для ее транспортировки используются изолированные
оптически прозрачные среды. В однородной среде электромагнитная волна
распространяется прямолинейно, однако на границе изменения плотности
среды ее направление и качественный состав меняются. В упрощенном
варианте рассмотрим две граничащие среды с разной плотностью.
Распространяясь в одной из них луч может достигать поверхности другой под
некоторым углом a (к нормали поверхности). При этом волна частично
отражается в среду из которой пришла под углом b и частично проникает в
новую среду в измененном направлении под углом c.

22.

ЗАКОН ОПТИКИ (ЗАКОН СНЕЛИУСА)

23.

ЗАКОН ОПТИКИ (ЗАКОН СНЕЛИУСА)

24.

ЗАКОН ОПТИКИ (ЗАКОН СНЕЛИУСА)
Согласно физическим законам распространения света угол падения
луча равен углу отражения, т.е. a=b. Также если обозначить величину
плотности сред как n1 и n2, то угол преломления c, находится из
следующего соотношения:
n1*sin a = n2*sin c
(1).
Эффект преломления света может отсутствовать, т.е. возможна
ситуация полного отражения света. Для этого достаточно, чтобы угол c
был бы 90 градусов. Трансформируя выражение (1) получаем
достаточное условие полного отражения света:
sin a = n2/n1
Именно за счет данного эффекта в современных оптоволоконных
технологиях удается управлять распространением света в требуемой
среде.

25.

ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ
Основным элементом ВОК является волоконный световод, выполненный в виде тонкого
стеклянного волокна цилиндрической формы. Волоконный световод имеет двухслойную
конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными оптическими характеристиками
(показателями преломления n1 и n2), притом
n1>n2,
где n1 – показатель преломления сердцевины, n2 – показатель преломления оболочки ОВ.
Работа оптического волокна основана на эффекте полного внутреннего отражения. Луч введенный
в сердцевину ОВ движется внутри нее многократно переотражаясь от границы «сердцевинаоболочка»
Где:
1 - Сердцевина с показателем преломления n1. Служит для передачи электромагнитной энергии.
2 - Отражающая оболочка с показателем преломления n2. Создает условия отражения на границе
“сердцевина—оболочка” и защита от излучения энергии в окружающее пространство.
3 - Защитное покрытие. Служит для предохранения волокна от механических воздействий и для
нанесения расцветки
Сердцевина и оболочка изготовляются из кварца, покрытие — из эпоксиакрилата, фторопласта,
нейлона, лака и других полимеров.

26.

ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ
Луч света распространяющийся в сердцевине ОВ под углом ≤ критическому
испытывает
на границе сердцевина-оболочка эффект полного внутреннего отражения. Такой луч
называется направляемой модой, и может распространяться на большие расстояния.
Мода — это элементарная составляющая, отдельный луч, из которого состоит свет,
проходящий по волокну. С точки зрения теоретической физики, каждая мода — это
одно из решений волновых уравнений Максвелла, описывающих распространение
света в световоде. Условно каждую моду представляют в виде набора прямых линий,
образующих конус. На схемах же, обычно в поперечном сечении, моды изображают в
виде отдельных лучей, распространяющихся в волокне под углом к оптической оси.
При этом луч, который геометрически совпадает с осью волокна носит название
первой или основной моды, а все остальные называют боковыми модами.
В зависимости от диаметра сердцевины ОВ, показателей преломления материалов
сердцевины и оболочки в оптическом волокне будет распространяться только одна или
несколько мод излучения. На рис. 1 наглядно показано, что в волокно с маленьким
диаметром сердцевины можно ввести только одну моду, в то время как больший
диаметр позволяет вводить несколько мод.

27.

ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ

28.

ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ
Луч света распространяющийся в сердцевине ОВ под углом ≤ критическому испытывает
на границе сердцевина-оболочка эффект полного внутреннего отражения. Такой луч
называется направляемой модой, и может распространяться на большие расстояния.

29.

ОДНОМОДОВЫЕ И МНОГОМОДОВЫЕ СВЕТОВОДЫ
Оптоволокно классифицируется в зависимости от количества мод
(направляемых лучей света в сердечнике). Основные типы волокон это
одномодовое или многомодовое. Тип волокна конструктивно зависит от
диаметра сердцевины.

30.

ОДНОМОДОВЫЕ И МНОГОМОДОВЫЕ СВЕТОВОДЫ
Многомодовое оптоволокно, из-за его большого сердечника, передаёт свет
используя различные пути (моды), делая его чувствительным к модовой дисперсии.
Основное преимущество многомодового волокна это лёгкое соединение с
источниками света и с другим волокнами, что понижает стоимость источников,
коннекторов и других соединений. Однако, его относительно высокое затухание и
низкий предел пропускной способности приводят к уменьшению расстояния
передачи.
Из-за модовой дисперсии у многомодового волокна со ступенчатым профилем
преломления очень низкая пропускная способность.

31.

ОДНОМОДОВЫЕ И МНОГОМОДОВЫЕ СВЕТОВОДЫ
Для того, чтобы отличить многомодовое и одномодовое волокно необходимо
использовать специальное оборудование, например микроскопы.

32.

ОДНОМОДОВЫЕ И МНОГОМОДОВЫЕ СВЕТОВОДЫ
В одномодовом оптоволокне образуется небольшое количество мод и условно
считается, что свет в одномодовом оптоволокне распространяется по одной
траектории, поэтому такие оптические волокна называют одномодовыми.
В многомодовом оптоволокне образуется большое число мод, поэтому такие
волокна называют многомодовыми.

33.

ОДНОМОДОВЫЕ И МНОГОМОДОВЫЕ СВЕТОВОДЫ
Из-за влияния межмодовой дисперсии MM-волокно имеет ограничения по скорости и
дальности распространения сигнала по сравнению с SM-волокном. Длину многомодовых
линий связи ограничивает также большое по сравнению с одномодовым волокном затухание.
В то же время требования к расходимости излучения источника сигнала, а так же к точности
юстировки компонентов оборудования ощутимо снижаются за счёт большого диаметра.
Вследствие этого оборудование для многомодового волокна стоит гораздо дешевле, чем для
одномодового (хотя само многомодовое волокно несколько дороже).
Как было упомянуто ранее, наибольшее распространение получили многомодовые волокна
50/125 и 62,5/125 мкм. Первые коммерческие MM волокна, производство которых началось
в 1970-х годах, имели диаметр сердцевины 50 мкм и ступенчатый профиль коэффициента
преломления. На тот момент единственным источником излучения были светодиоды.
Увеличение передаваемого трафика привело к появлению волокон с сердцевиной 62,5 мкм.
Бо́льший диаметр позволял более эффективно использовать излучение светодиодов, которые
отличаются большой расходимостью светового потока. Однако при этом увеличивалось число
распространяемых мод, что негативно сказывается на характеристиках передачи. Поэтому,
когда вместо светодиодов стали использоваться узконаправленные лазеры, популярность
снова обрело волокно 50/125 мкм. В результате совершенствования технологии
производства были разработаны волокна, которые стали называть «оптимизированными для
работы с лазерами». Дальнейшему росту скорости и дальности передачи информации
способствовало появление волокон с градиентным профилем показателя преломления.

34.

ОДНОМОДОВЫЕ И МНОГОМОДОВЫЕ СВЕТОВОДЫ
Одномодовое волокно
В одномодовом волокне отсутствует межмодовая дисперсия, то есть искажение сигнала во времени из-за
разницы в скорости распространения мод. Поэтому одномодовое волокно характеризуется очень большой
величиной ширины полосы пропускания (сотни ТГц*км). Стандартное SM-волокно имеет, как упоминалось
ранее, ступенчатый профиль показателя преломления.
Величина затухания в SM волокне в несколько раз меньше, чем в MM, что позволяет передавать
информацию на очень большие расстояния (500 и более км) на высокой скорости без ретрансляции
(повторения) сигнала, при этом характеристики передачи определяются главным образом параметрами
активного оборудования.
С другой стороны, одномодовое волокно требует большой точности при вводе излучения и при стыковке
оптических волокон друг с другом, что является причиной удорожания используемых волоконно-оптических
компонентов (активное оборудование, соединительные изделия) и усложняет процесс монтажа и
обслуживания линий.
Первые SM-волокна появились в начале 80-х годов и стали активно использоваться в протяженных линиях
связи. В то же время для передачи на короткие расстояния, например, в локальных сетях, продолжалось
использование ММ-волокна. Со временем, в связи с уменьшением стоимости как самого волокна, так и
компонентов для него, одномодовое волокно стало завоевывать все большую популярность и в
непротяженных сетях. Таким образом, сегодня кварцевое SM- волокно является самым распространенным
типом оптического волокна.
По мере совершенствования технологий производства создавались и менялись и стандарты, описывающие
требования к оптическим волокнам. В отличие от MM-волокон, которые в настоящее время описываются
стандартом ISO/IEC 11801, для SM волокон наиболее распространёнными и повсеместно используемыми
стали стандарты ITU-T G.652-657

35.

ГРАДИЕНТНЫЕ МНОГОМОДОВЫЕ СВЕТОВОДЫ
Сердечник многомодового градиентного волокна имеет неоднородный профиль
показателя преломления. Его коэффициент преломления плавно уменьшается от
края к оси волокна. Это плавное изменение заставляет лучи проходить по
сердечнику по синусоиде.
У мод самого высокого порядка путь будет длиннее, чем у прямого направления,
но за пределами центральной оси в областях низкого коэффициента их скорости
увеличиваются. Разница в скорости между модами высокого и низкого порядка
для градиентного оптоволокна будет меньше чем у волокна со ступенчатым
профилем

36.

ГРАДИЕНТНЫЕ МНОГОМОДОВЫЕ СВЕТОВОДЫ

37.

ГРАДИЕНТНЫЕ МНОГОМОДОВЫЕ СВЕТОВОДЫ
Применение кабелей на основе SM и MM волокна
В настоящее время сложилась практика выбора оптического кабеля в зависимости
от сферы применения.
Одномодовое волокно используется:
в морских и трансокеанских кабельных линиях связи;
в наземных магистральных линиях дальней связи;
в региональных линиях, линиях связи между городскими узлами, в выделенных
оптических каналах большой протяженности, в магистралях к оборудованию
операторов мобильной связи;
в системах кабельного телевидения;
в системах GPON с доведением волокна до конечного пользователя;
в СКС, когда магистрали достигают длины 550 м и более (например, между
зданиями);
в СКС, обслуживающих ЦОД, независимо от расстояния.
Многомодовое волокно в основном используется:
в СКС, в магистралях, проходящих внутри здания (как правило, протяженностью до
300 м) и в магистралях между зданиями, если расстояние не превышает 550 м;
в горизонтальных сегментах СКС и в системах FTTD (fiber-to-the-desk), где
устанавливаются пользовательские рабочие станции с многомодовыми
оптическими сетевыми картами;

38.

ГРАДИЕНТНЫЕ МНОГОМОДОВЫЕ СВЕТОВОДЫ
в ЦОД, в дополнение к одномодовому волокну;
во всех случаях, где расстояние позволяет применять многомодовые кабели.
Основной критерий выбора – кабели обходятся дороже, но экономия на активном
оборудовании покроет эти затраты.
Для демонстрации коммерческой целесообразности применения SM и MM волокон
в различных случаях сравним стоимость активного оборудования. Будем сравнивать
конкретные модели оборудования, необходимого для работы на различных
скоростях передачи информации. См. табл. 2.

39.

ГРАДИЕНТНЫЕ МНОГОМОДОВЫЕ СВЕТОВОДЫ

40.

ВЕЛИЧИНА ЗАТУХАНИЯ В СВЕТОВОДАХ
Типичные затухания для:
Ступенчатого многомодового ОВ:
• Менее 3 дБ/км на длине волны 850 нм
• Менее 1 дБ/км на длине волны 1310 нм
Градиентного многомодового ОВ:
• Менее 2,8 дБ/км на длине волны 850 нм
• Менее 1 дБ/км на длине волны 1310 нм
Одномодового ОВ:
• Менее 0,36 дБ/км на длине волны 1310 нм
• Менее 0,22 дБ/км на длине волны 1550 нм

41.

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОВ

42.

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОВ

43.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОВ
1. Относительная разность показателей преломления (∆)
Где n1 – показатель преломления сердцевины ОВ
n2 – показатель преломления оболочки ОВ
притом n1>n2
∆ = 0,01 – 0,001 для телекоммуникационных волокон

44.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОВ
2. Профиль показателя преломления (ППП)
Распределение значений показателя преломления вдоль диаметра поперечного
сечения оптического волокна называют профилем показателя преломления.

45.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОВ
2. Профиль показателя преломления (ППП)
n(r) - зависимость показателя преломления n волокна от расстояния r от оси
волокна.

46.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОВ
2. Профиль показателя преломления (ППП)

47.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОВ
2. Профиль показателя преломления (ППП)
n(r) - зависимость показателя преломления n волокна от расстояния r от оси
волокна.

48.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОВ
2. Профиль показателя преломления (ППП)
n(r) - зависимость показателя преломления n волокна от расстояния r от оси
волокна.
а) Ступенчатое одномодовое волокно (стандартное б) Одномодовое волокно со смещенной дисперсией
волокно)
(волокно со специальным профилем)

49.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОВ
3. Числовая апертура (NA)
Определяет условия ввода оптических сигналов («воронка») и процессы их
распространения в ОВ. Чем больше NA тем больше излучения от источника
вводится в ОВ. Для телекоммуникационных волокон NA=0,1 - 0,2 что
соответствует углам ввода θ ~ 5,7 - 11,50.

50.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОВ
4. Нормированная частота (V)
Определяет режим работы ОВ т.е. количество распространяющихся в ОВ мод.
При V≤2,405 в волокне распространяется одна основная мода HE11, т.е.
поддерживается одномодовый режим работы ОВ.
Нормированная частота явно зависит от длины волны передаваемого
излучения (света). Таким образом если в одномодовое волокно подать излучение
длиной волны 850 нм, оно перейдет в многомодовый режим работы.

51.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ОВ
Таким образом оптические волокна классифицируются на одномодовые и
многомодовые. Последние подразделяются на ступенчатые и градиентные.
Одномодовые волокна имеют тонкую сердцевину (8 мкм), и по ним передается
одна волна; по многомодовым (сердцевина 50 и 62,5 мкм) распространяется
большое число волн. Наилучшими параметрами по пропускной способности и
дальности обладают одномодовые волокна. У ступенчатых световодов показатель
преломления в сердечнике постоянен, имеется резкий переход от сердцевины к
оболочке и лучи зигзагообразно отражаются от границы “сердечник—оболочка”.
Градиентные световоды имеют непрерывное плавное изменение показателя
преломления в сердцевине по радиусу световода от центра к периферии, и лучи
распространяются по волнообразным траекториям

52.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ОВ

53.

ЗАТУХАНИЕ В ОВ
Затухание - это мера ослабления оптической мощности при
распространении оптического сигнала по ОВ. Затухание измеряется в дБ и имеет
отрицательное значение. На практике ВОЛС знак минус обычно опускается.
Коэффициент затухания (погонное затухание) – это величина затухания на
единицу длины волокна, измеряется в дБ/км.
Децибел (дБ) - это безразмерная единица, применяемая для измерения
отношения некоторых величин — «энергетических» (мощности, энергии, плотности
потока мощности и т. п.) или «силовых» (силы тока, напряжения и т. п.). Иными
словами, децибел — это относительная величина. Не абсолютная, как, например,
ватт или вольт, а такая же относительная, как кратность («трёхкратное отличие»)
или проценты, предназначенная для измерения отношения («соотношения
уровней») двух других величин, причём к полученному отношению применяется
логарифмический масштаб.

54.

ЗАТУХАНИЕ В ОВ
В ВОЛС Децибел - логарифмическое выражение отношения мощности,
выходящей из источника Р1, к мощности, входящей в приемник Р2,
дБ = 10*log(P1/P2).
При измерении ВОЛС оптическими тестерами пользуются понятием дБм –
децибел по мощности. В дБм опорный уровень мощности Р2=1мВт.
Потери в 3 дБ означают, что половина мощности потеряна.
Потеря 10 дБ означает, что только 1/10 мощности источника доходит до
приемника, потери 90%.
Волоконно-оптические линии как правило способны нормально функционировать
при потерях в 30 дБ (прием всего 1/1000 мощности)

55.

ЗАТУХАНИЕ В ОВ

56.

ЗАТУХАНИЕ В ОВ
Рекомендации
При некотором навыке операции с децибелами вполне реально выполнять в уме.
Более того нередко это очень удобно: вместо умножения, деления, возведения в
степень и извлечения корня удается обходиться сложением и вычитанием
«децибельных» единиц.
Для этого полезно помнить и научиться применять несложную таблицу:
1 дБ → в 1,25 раза,
3 дБ → в 2 раза,
10 дБ → в 10 раз.
Отсюда, раскладывая «более сложные значения» на «составные», получаем:
6 дБ = 3 дБ + 3 дБ → в 2·2 = в 4 раза,
9 дБ = 3 дБ + 3 дБ + 3 дБ → в 2·2·2 = в 8 раз,
12 дБ = 4 · (3 дБ) → в 24 = в 16 раз и т. п., а также:
13 дБ = 10 дБ + 3 дБ → в 10·2 = в 20 раз,
20 дБ = 10 дБ + 10 дБ → в 10·10 = в 100 раз,
30 дБ = 3 · (10 дБ) → в 10³ = в 1000 раз и т. п.
Сложению (вычитанию) значений в дБ соответствует умножение (деление) самих
отношений. Отрицательные значения дБ соответствуют обратным отношениям.
Например:
уменьшение мощности в 40 раз → это в 4·10 раз или на −(6 дБ + 10 дБ) = −16 дБ;
увеличение мощности в 40 раз → это в 4·10 раз или на +(6 дБ + 10 дБ) = +16 дБ;

57.

ЗАТУХАНИЕ В ОВ
На затухание света в волокне влияют такие факторы, как потери на
поглощение; потери на рассеяние; кабельные потери. Потери на поглощении и на
рассеянии вместе называют собственными потерями, в то время как кабельные
потери в силу их природы называют также дополнительными потерями

58.

ЗАТУХАНИЕ В ОВ
Собственные потери:
1. Потери на поглощение
Связаны с преобразованием одного вида энергии в другой.
Электромагнитная волна определенной длины вызывает в некоторых химических
элементах изменение орбит электронов, что, в свою очередь, ведет к нагреву
волокна. Естественно, что процесс поглощения волны тем меньше, чем меньше
ее длина, и чем чище материал волокна.
Потери на поглощение состоят как из собственных потерь в кварцевом
стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение), так и из потерь,
связанных с поглощением света на примесях. Примесные центры, в
зависимости от типа примеси, поглощают свет на определенных длинах волн
(присущих данной примеси) и рассеивают поглощенную световую энергию в
виде джоулевского тепла. Собственные потери на поглощении растут и
становятся значимыми в ультрафиолетовой и инфракрасной областях. При длине
волны излучения выше 1,6 мкм обычное кварцевое стекло становится
непрозрачным из-за роста потерь, связанных с инфракрасным поглощением.

59.

ЗАТУХАНИЕ В ОВ
Собственные потери:
2. Потери на рассеяние (Рэлеевское рассеяние)
Причина снижения мощности сигнала в этом случае - означает выход
части светового потока из волновода. Обусловлено это обычно
неоднородностями показателя преломления материалов. Известно, что с
уменьшением длины волны потери рассеивания возрастают.
Потери, связанные с рассеянием оптической энергии, обусловлены неоднородностью
волокна и его геометрической структурой. Рассеяние на неоднородностях происходит
во всех направлениях, и свет перестает быть направленным.
Релеевское рассеяние обусловлено вариациями состава и плотности волокна,
неизбежными в процессе его производства.
Поскольку интенсивность рассеяния обратно пропорциональна длине волны в
четвертой степени, то она быстро уменьшается по мере роста длины волны. Рассеяние
определяет минимальный теоретический предел затухания, равный
2.5дБ при 820нм
0.24дБ при 1300нм
0.012дБ при 1550нм

60.

ЗАТУХАНИЕ В ОВ
ПОТЕРИ НА РАССЕЯНИЕ (РЭЛЕЕВСКОЕ РАССЕЯНИЕ)
Рассеивание, прежде всего Рэлеевское, также создаёт затухание. Его причина в
дисперионном рассеивания части энергии света во всех направлениях из
сердечника. Небольшая часть этого света возвращается обратно и называется
обратным рассеянием.

61.

ЗАТУХАНИЕ В ОВ
3. Кабельные (радиационные) потери
Кабельные (радиационные) потери обусловлены скруткой, деформациями и
изгибами волокон, возникающими при наложении покрытий и защитных
оболочек, при производстве кабеля, а также в процессе инсталляции ВОК.
Дополнительные радиационные потери появляются, если радиус изгиба кабеля
становится меньше минимального изгиба указанного в спецификации ВОК
(макроизгибы). При производстве кабеля также возникают микроизгибы и
микротрещины.
По мере прохождения по оптическому волокну сигнал постепенно затухает.
Для того чтобы его усилить, используются оптические усилители. Это позволяет
передавать данные на расстояния до 4000 км без перевода оптического сигнала
в электрический

62.

ЗАТУХАНИЕ В ОВ
Потери излучения на изгибе оптического волокна
Как известно, при распространении света в оптических волокнах используется принцип
полного внутреннего отражения лучей от границы раздела сердцевина/оболочка. Принцип
соблюдается, если, упрощенно говоря, угол падения луча достаточно велик, т.е. свет падает
полого к плоскости отражения (рис. А, Б). При изгибе волокна с каким-то малым радиусом
нарушается угловое условие (условия распространения передаваемого луча), и часть
излучения уходит в оболочку, где потом и высвечивается.
С точки зрения электродинамики, тот же процесс можно объяснить в других терминах. Поле
распространяемого излучения, концентрируясь в сердцевине, частично выходит в оболочку
(поэтому диаметр модового поля всегда немного больше, чем диаметр сердцевины),
затухая по экспоненциальному закону. В месте изгиба волокна эта периферийная часть
моды распространяется с фазовой скоростью, превышающей скорость света в среде
оболочки и, в конце концов, излучается.
Кроме того, происходят частичные потери энергии при переходе от прямолинейного
участка к изогнутому и от изгиба к прямому волокну. Это связано с тем, что модовые пятна
криволинейного и прямого участков не совпадают, и часть мощности основной моды
передается модам оболочки.
Достаточно интересным моментом является спектральная зависимость потерь на изгибах.
Как известно, в стандартных одномодовых волокнах типа G.652 с ростом длины волны
затухание на изгибах увеличивается
Диаметр изгиба кабеля не должен превышать величину в 20 диаметров кабеля

63.

ЗАТУХАНИЕ В ОВ

64.

ОКНА ПРОЗРАЧНОСТИ ОПТОВОЛОКНА
Затухание в ОВ не постоянная величина, оно зависит от длины волны

65.

ОКНА ПРОЗРАЧНОСТИ ОПТОВОЛОКНА
В настоящее время оптоволокно с такой характеристикой уже считается
устаревшим. Достаточно давно освоен выпуск оптоволокна типа AllWaveZWP
(zerowaterpeak, с нулевым пиком воды), в котором устранены гидроксильные
ионы в составе кварцевого стекла. Такое стекло имеет уже не окно, а прямо таки
проём в диапазоне от 1300 до 1600 нм.

66.

ОКНА ПРОЗРАЧНОСТИ ОПТОВОЛОКНА
Все окна прозрачности лежат в инфракрасном диапазоне, то есть свет,
передающийся по ВОЛС, не виден глазу.
В теории, лучших показателей общего затухания можно достичь на
пересечении кривых поглощения и рассеивания. Реальность несколько сложнее,
и связана с химическим составом среды. В кварцевых волокнах (SiO2) кремний
и кислород проявляют активность на определенной длине волны, и существенно
ухудшают прозрачность материала в двух окрестностях.
В итоге образовались три основных окна прозрачности, в рамках которых
затухание имеет наименьшее значение:
0.85 мкм;
1.3 мкм;
1.55 мкм.
Именно под такие диапазоны разработаны специальные гетеролазеры, на
которых основываются современные ВОЛС (волоконно-оптические системы
связи).

67.

ОКНА ПРОЗРАЧНОСТИ ОПТОВОЛОКНА
История разработки и использования окон прозрачности
Первоначально, в 1970-х годах, системы волоконно-оптической связи
использовали первое окно прозрачности, поскольку выпускаемые в то время
GaAs-лазерные диоды и светодиоды работали на длине волны 850 нм. В
настоящее время этот диапазон из-за большого затухания используется только в
локальных сетях.
В 1980-х годах были разработаны лазеры на тройных и четверных
гетероструктурах, способные работать на длине волны 1310 нм и второе окно
прозрачности стало использоваться для дальней связи. Преимуществом данного
диапазона явилась нулевая дисперсия на данной длине волны, что существенно
уменьшало искажение оптических импульсов.
Третье окно прозрачности было освоено в начале 1990-х годов. Преимуществом
третьего окна является не только минимум потерь, но и тот факт, что на длину
волны 1550 нм приходится рабочий диапазон волоконно-оптических эрбиевых
усилителей (EDFA). Данный тип усилителей, имея способность усиливать все
частоты рабочей области, предопределил использование третьего окна
прозрачности для систем со спектральным уплотнением (WDM).

68.

ОКНА ПРОЗРАЧНОСТИ ОПТОВОЛОКНА
Четвёртое окно прозрачности простирается до длины волны 1620 нм,
увеличивая рабочий диапазон систем WDM.
Пятое окно прозрачности появилось в результате тщательной очистки
оптического волокна от посторонних примесей. Таким образом было
получено оптическое волокно AllWave, имеющее малые потери во всей
области от 1280 нм до 1650 нм.
В связи с расширением рабочего диапазона оптических волокон
Международным союзом электросвязи были утверждены новые
спектральные диапазоны в интервале 1260…1675:

69.

ОКНА ПРОЗРАЧНОСТИ ОПТОВОЛОКНА

70.

ОКНА ПРОЗРАЧНОСТИ ОПТОВОЛОКНА
Рисунок - Спектр потерь и положение окон прозрачности в ОВ

71.

ДИСПЕРСИЯ В ОВ
Другой фактор, который искажает сигнал во время передачи — дисперсия,
которая уменьшает эффективную пропускную способность передачи. Основные
типы дисперсии: модовая дисперсия, хроматическая дисперсия, и
поляризационная дисперсия.

72.

ДИСПЕРСИЯ В ОВ
Искажение передаваемых импульсов изображено на рисунке:

73.

ДИСПЕРСИЯ В ОВ
Дисперсия означает рассеяние во времени спектральных и модовых
составляющих оптического сигнала. Дисперсия приводит к увеличению
длительности импульса (уширению или расплыванию формы импульса) при
прохождении по ОК. При достаточно большом уширении импульсы начинают
перекрываться, так что становится невозможным их выделение при приеме. С
увеличением скоростей передачи информационных потоков необходимо
тщательнее учитывать влияние дисперсии на них.
Дисперсия - имеет размерность времени и определяется как квадратичная
разность длительностей импульсов на выходе и входе кабеля длины L по формуле
причем значения берутся на уровне половины амплитуды импульсов.
Дисперсия нормируется в расчете на 1км, и измеряется в пс/нм*км.

74.

ДИСПЕРСИЯ В ОВ
Существуют три основных типа дисперсии: межмодовая, материальная и
волноводная (межчастотная), поляризационно-модовая.
Межмодовая дисперсия присуща многомодовому волокну, хроматическая –
одномодовому и многомодовому.

75.

ВИДЫ ДИСПЕРСИИ В ОВ

76.

ДИСПЕРСИЯ В ОВ
Межмодовая присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием
большого числа мод, время распространения которых различно. Как следствие, лучи
достигнут приемника в разные моменты времени.

77.

ДИСПЕРСИЯ В ОВ
Импульс, распространяясь по разным длинам светового пути вызывает
межмодовую дисперсию, или более просто, многомодовую дисперсия.
Расширение импульса в многомодовом оптоволокне

78.

ДИСПЕРСИЯ В ОВ
Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной.
Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от
длины волны n(λ). И, соответственно, попадать в приемник в разное время.
Материальная дисперсия имеет положительное значение, т.е. знак «+»
М(λ) – удельная материальная дисперсия
Δλ – ширина спектра источника излучения
L – длина линии связи

79.

ДИСПЕРСИЯ В ОВ
Возникновение дисперсии в материале световода даже для одномодовых
волокон обусловлено тем, что источник световых импульсов, (светоизлучающий диод
– СИД или лазерный диод -ЛД), формирует световые импульсы, имеющие
непрерывный волновой спектр определенной ширины Δλ (например, для
СИД это примерно 35 - 60 нм,
ЛД (ММЛД) – 2 - 5 нм,
ЛД (ОМЛД) – 0,01 - 0,02 нм.
Различные спектральные компоненты импульса распространяются с
разными скоростями и приходят в определенную точку в разное время, приводя к
уширению импульса на выходе и, при определенных условиях, к искажению его
формы.

80.

ДИСПЕРСИЯ В ОВ
Материальная дисперсия

81.

ДИСПЕРСИЯ В ОВ
Волноводная (внутримодовая)
дисперсия имеет отрицательное значение
(«-»)и обусловлена направляющими свойствами сердцевины ОВ (которые зависят от
∆ и V ) а именно зависимостью групповой скорости моды от длины волны
оптического излучения (λ), что приводит к различию скоростей распространения
частотных составляющих излучаемого спектра. Т.е. обусловлена зависимостью
параметров волокна ∆ и V от длины волны оптического излучения (λ). Поэтому
внутримодовая дисперсия в первую очередь определяется профилем показателя
преломления ОВ и пропорциональна ширине спектра излучения источника (∆λ). Т.е.
N(λ) - удельная волноводная дисперсия
Волноводная дисперсия в первую очередь определяется профилем показателя
преломления сердцевины волокна и внутренней оболочки. В волокне со сложным
профилем показателя преломления, изменяя соотношение между дисперсией среды
и дисперсией волновода, можно не только сместить длину волны нулевой
дисперсию, но и подобрать нужную форму дисперсионной характеристики, т.е.
форму зависимости дисперсии от длины волны.
Источники излучения не идеальны, и испускают волны различной длины (спектр). В
кварцевом стекле более короткие волны распространяются быстрее, а
следовательно достигают конца световода в разные моменты времени.

82.

ДИСПЕРСИЯ В ОВ
Волноводная дисперсия обусловлена тем, что часть оптической энергии (до
20% от общей мощности) движется не по ядру, а по оптической оболочке. А так как
они имеют различные показатели преломления, то излучение движется со слегка
различающимися скоростями в ядре и оптической оболочке. Волноводная
дисперсия зависит от совокупности таких геометрических параметров оптоволокна,
как отклонение от круглой формы сечения, непостоянство диаметра, несоосность
ядра и оболочки, непостоянство показателя преломления по длине оптоволокна и
т.п.
Изменение внутренней структуры волокна позволяет существенно влиять на
волноводную дисперсию, тем самым изменяя специфицированную общую
дисперсию волокна. Это является одним из перспективных направлений разработки
одномодовых систем.
.

83.

ДИСПЕРСИЯ В ОВ

84.

ДИСПЕРСИЯ В ОВ
Как видно из рисунка, с увеличением длины волны материальная дисперсия
уменьшается и проходит через нуль, а волноводная несколько растет. Вблизи 1,35
мкм происходит их взаимная компенсация и результирующая дисперсия
приближается к нулевому значению. Поэтому длина волны 1,3 мкм получила
широкое применение в одномодовых системах передачи. Однако по затуханию
предпочтительнее волна 1,55 мкм, и для достижения минимума дисперсии в этом
случае приходится варьировать профилем показателя преломления и диаметром
сердцевины. При сложном профиле типа W и трехслойном световоде можно и на
длине волны 1,55 мкм получить минимум дисперсионных искажений (волокна DSF,
NZDSF).

85.

ДИСПЕРСИЯ В ОВ
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.
Где Т – дисперсия
Так, если =20 нс/км, то
.
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.

86.

ДИСПЕРСИЯ В ОВ
ЗАВИСИМОСТЬ ДИСПЕРСИИ (
) И ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ (
) ОК ОТ ДЛИНЫ ЛИНИИ

87.

ДИСПЕРСИЯ В ОВ
Поляризационная модовая дисперсия (ПМД) tpmd (polarization mode dispersion)
возникает вследствие различной скорости распространения двух взаимно
перпендикулярных поляризационных составляющих моды. Из-за небольшой
величины tpmd может проявляться исключительно в одномодовом волокне, причем
когда используется передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4
Гбит/c и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения 0,1 нм и меньше. В
этом случае хроматическая дисперсия становится сравнимой с поляризационной
модовой дисперсией.

88.

ДИСПЕРСИЯ В ОВ
PMD происходит из-за разных скоростей распространения энергий одной длины
волны, но разной поляризации с перпендикулярными осями (показано на рисунке).
Основными причины PMD является некруглость сердцевины и внешние
воздействия на волокно (макро-изгиб, микро изгиб, скручивая, и температурные
изменения).

89.

ДИСПЕРСИЯ В ОВ
В одномодовом волокне в действительности может распространяться не
одна мода, а две фундаментальные моды - две перпендикулярные поляризации
исходного сигнала. В идеальном волокне, в котором отсутствуют неоднородности по
геометрии, две моды распространялись бы с одной и той же скоростью. Однако на
практике волокна имеют не идеальную геометрию, что приводит к различной
скорости распространения двух поляризационных составляющих мод. Главной
причиной возникновения поляризационной модовой дисперсии является
некруглость (овальность) профиля сердцевины одномодового волокна, возникающая
в процессе изготовления или эксплуатации волокна. При изготовлении волокна
только строгий контроль позволяет достичь низких значений этого параметра.
Контролировать ПМД нужно при
- Реконструкции существующих ВОЛС
- Производстве ОВ и ОК
- Строительстве новых ВОЛП
- При строительстве и эксплуатации высокоскоростных ВОЛП (более 10 Гбит/c)

90.

ДИСПЕРСИЯ В ОВ
Причины возникновения Поляризационно-модовой дисперсии (ПМД)

91.

ДИСПЕРСИЯ В ОВ
В таблице приведены дисперсионные свойства различных типов волоконных
световодов

92.

ДИСПЕРСИЯ В ОВ
Сравнивая дисперсионные характеристики различных световодов, можно
отметить, что лучшими обладают одномодовые световоды. Хорошие
характеристики также у градиентных световодов с плавным изменением
показателя преломления. Наиболее резко дисперсия проявляется у ступенчатых
многомодовых световодов.

93.

КОМПЕНСАЦИЯ ДИСПЕРСИИ
1. С помощью волокна с отрицательной дисперсией
2. С помощью оборудования, восстанавливающего форму сигнала

94.

ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
Есть множество специальных типов одномодовых оптических волокон,
которые обладают различными физическими свойствами и различным
химическим составом легирующих примесей. Их производят, чтобы получить
специальные свойства. B соответствии с рекомендациями ITU-T, различают
основные типы одномодового волокна:
G.651 Стандартное многомодовое
G.652 Стандартное одномодовое
G.653 Одномодовое со смещенной дисперсией
G.654 Одномодовое со смещенной длиной волны отсечки
G.655 Одномодовое с ненулевой смещенной дисперсией
G.656 Одномодовое с ненулевой дисперсией для широкополосной передачи
данных
G.657 Одномодовое с уменьшенными потерями на малых радиусах изгиба.

95.

ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
Одномодовое волокно с несмещенной дисперсией, G.652 (SSMF – Standard Singlemode
Fiber)
Наиболее распространенный тип одномодового волокна с точкой нулевой хроматической
дисперсии на длине волны 1300 нм. Стандарт выделяет четыре подкласса (A, B, C и D),
отличающихся своими характеристиками. Особо стоит отметить волокна G.652.C и G.652.D –
они имеют низкое затухание на длине волны 1383 нм, то есть в области «водного пика», а
потому могут использоваться в системах CWDM. Такие волокна еще называют
«всеволновыми».
Одномодовое волокно с нулевой смещенной дисперсией, G.653 (ZDSF – Zero DispersionShifted Fiber)
Изменяя профиль показателя преломления, можно сдвинуть точку нулевой дисперсии в
третье окно прозрачности (1550 нм), что позволяет увеличить дальность передачи сигнала
при работе в этом диапазоне. Используются только за рубежом и только в линиях,
работающих без использования спектрального уплотнения.
Одномодовое волокно со смещенной длиной волны отсечки, G.654
Волокна с минимизацией потерь на длине волны l=1550 нм являются модификацией волокон
SSF с уменьшенными потерями (менее 0,18 дБ/км) в третьем окне прозрачности. Низкое
затухание достигается за счет применения кварца сверхвысокой степени очистки для
сердцевины, что позволяет снизить затухание, обусловленное поглощением примесями, а
также формирования больших значений длины волны отсечки для уменьшения
чувствительности к потерям, обусловленным изгибами волокна. Такое оптоволокно может
использоваться для передачи цифровой информации на большие расстояния, например, в
наземных системах дальней связи и магистральных подводных кабелях с оптическими
усилителями. Из-за трудности производства эти волокна очень дороги.

96.

ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией, G.655 (NZDSF – Non-Zero
Dispersion Shifted Fiber)
Предназначено для передачи на длинах волн вблизи 1550 нм и оптимизировано для систем
DWDM. Абсолютное значение коэффициента хроматической дисперсии в этом волокне
больше некоего ненулевого значения в диапазоне длин волн от 1530 нм до 1565 нм.
Ненулевая дисперсия препятствует возникновению нелинейных эффектов, которые особенно
вредны для DWDM систем.
Одномодовое волокно c ненулевой смещенной дисперсией для широкополосной передачи,
G.656
Подобно волокну G.655, имеет ненулевое значение коэффициента хроматической дисперсии,
но уже в диапазоне длин волн 1460-1625 нм, поэтому хорошо подходит как для систем
DWDM, так и для CWDM.
Одномодовое волокно, не чувствительное к потерям на макроизгибе, G.657 (Bend-Insensitive)
Помимо оптических свойств, важную роль играют и механические характеристики
оптоволокна, в частности, его чувствительность к изгибам. Особенно это важно при
прокладке внутри помещения, где волокно часто нужно изгибать. Стандарт G.657 выделяет
несколько подклассов одномодового волокна, отличающихся минимальным радиусом изгиба
и соответствующей величиной потерь.
Описанные стандарты оптических волокон не всегда взаимоисключают друг друга. К
примеру, распространенное оптоволокно компании Corning марки SMF-28® Ultra
соответствует стандартам G.652.D и G.657.A1. В то же время бывают случаи, когда
оптические волокна разных типов не совместимы друг с другом.

97.

ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
G.652 Стандартное одномодовое оптическое волокно (SM)
Потребность в увеличении полосы пропускания и дальности передачи сигнала ( по
сравнению с многомодовым ОВ ) привела к необходимости применения одномодового
оптического волокна, т. е. волокна со ступенчатым профилем показателя преломления,
диаметр сердцевины и соотношение показателей преломления сердцевины и оболочки
которого выбраны таким образом, что в нем может распространяться только одна мода.
Явление межмодовой дисперсии в таком волокне отсутствует, а ширина полосы
пропускания ограничивается хроматической дисперсией. Стандартное одномодовое
волокно предназначено для работы в диапазоне длин волн 1,285-1,330 мкм, в котором
величина хроматической дисперсии в оптическом волкне достигает минимального,
близкого к нулю значения. Возможно также использование этого оптического волкна в
спектральном диапазоне 1,525-1,565 мкм, затухание на этих длинах волн очень мало
(~0,2 дБ/км), а дисперсия составляет 16-18 пс/нм*км. Параметры стандартного
одномодового оптического волкна регламентируются рекомендацией G.652 МСЭ-Т (ITUT). Это исторически первое и наиболее широко распространенное волокно,
используемое промышленно с 1983 г.
Растущая потребность в увеличении полосы пропускания и протяженности
оптических линий привела к возникновению ряда модификаций стандартного
одномодового волокна

98.

ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
G.653 Одномодовое со смещенной дисперсией (DSF)
Для дальних линий связи на оптическом волокне принципиальное значение имеет длина
регенерационного участка, которая должна быть как можно больше. Но для увеличения длины
регенерационного участка ВОЛС ограничивающим фактором оказались дисперсионные
характеристики оптических волокон. Вследствие искажения формы импульсов эта длина была ниже
расчетного значения, что требовало установки промежуточных регенераторов через меньшие
интервалы. Решением проблемы искажения формы импульсов стали волокна с нулевой смещенной
дисперсией (ZDSF- zerodispersion-shiftedfibre) или просто со смещенной дисперсией (DSFdispersion-shiftedfibre).
Путем вариаций геометрических размеров сердцевины и оболочки, а также введения
легирующих добавок были получены оптические волокна, в которых область минимальных
оптических потерь совпадает с областью минимальной хроматической дисперсии. Такие волокна
обладают сердцевиной меньшего диаметра, она составляет 7,8-8,5 мкм. Волокна со смещенной
дисперсией предпочтительны для высокоскоростных линий связи с большой длиной
регенерационного участка без применения технологий оптического уплотнения. Возможно также
использование этого оптического волокна в системах со спектральным уплотнением (WDM) при
ограниченной протяженности регенерационного участка, пониженной мощности передаваемого
сигнала и ограниченной плотности спектральных компонентов.
Параметры оптических волокон с нулевой смещенной дисперсией описываются в
Рекомендации ITU-T G.653. Сегодня действует редакция 2006 года. Согласно Рекомендации,
оптические волокна со смещенной дисперсией по значению коэффициента поляризационной
модовой дисперсии разделяются на две подкатегории - А и В. Такие волокна хорошо совместимы с
оптическими усилителями (Рекомендации ITU-T G.691 и G.692), поскольку диапазон длин волн, в
котором оптическое волокно имеет наилучшие параметры по затуханию и дисперсии, совпадает с
полосой максимального усиления оптических усилителей на волокне, легированном ионами эрбия.
Этот тип волокон оптимизирован для работы в диапазоне 1550 нм. Эффект хроматической
дисперсии в таких волокнах зависит от нелинейных оптических эффектов в волокне.

99.

ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
G.654 Одномодовое со смещенной длиной волны отсечки
При проектировании морских и береговых оптических линий возникла необходимость в оптических волокнах, обеспечивающих
максимальную дальность передачи за счет использования больших уровней оптической мощности. Для этого были
разработаны оптические волокна со смещенной длиной волны отсечки.
Параметры этих волокон и характеристики кабелей на их основе описываются в Рекомендации ITU-T G.654, первая версия
которой утверждена в 1988 году под названием "Характеристики одномодовых оптических кабелей, обладающих
минимальными потерями в диапазоне 1550 нм". Ныне действует седьмая версия, принятая в 2006 году.
Длиной волны отсечки называется минимальная длина волны, при которой волокно поддерживает только одну распространяемую
моду. Различают длину волны отсечки в волокне и длину волны отсечки для волокна в кабеле. Первая соответствует волокну,
испытывающему слабое напряжение. Однако на практике приходится иметь дело с кабелем, который при прокладке
претерпевает множество изгибов. Волокно испытывает напряжение, как в процессе производства кабеля, так и по
окончании инсталляции. Это приводит к подавлению побочных мод и смещению кабельной длины волны отсечки в сторону
коротких волн. Длина волны отсечки оптического волокна внутри кабеля может быть определена только экспериментально.
Если волоконно-оптический кабель используется для передачи несущих с длинами волн ниже длины волны отсечки, то
возникающие дополнительные моды могут привести к существенному увеличению дисперсии и нарушению передаваемого
сигнала. Для стандартных одномодовых волокон длина волны отсечки составляет 1260 нм, что позволяет использовать их для
организации связи в диапазонах: O, E, S, C, L. Если волоконно-оптический кабель используется для передачи несущих с
длинами волн ниже длины волны отсечки, то возникающие дополнительные моды могут привести к существенному
увеличению дисперсии и нарушению передаваемого сигнала. Для стандартных одномодовых волокон длина волны отсечки
составляет 1260 нм, что позволяет использовать их для организации связи в диапазонах: O, E, S, C, L. Для остальных типов
одномодовых оптических волокон длина волны отсечки ниже 1500 нм. Для оптических волокон, соответствующих
Рекомендации ITU-TG.654, длина волны отсечки не должна превышать 1530 нм (что накладывает существенные
ограничения на диапазоны передачи).
Оптические волокна со смещенной длиной волны отсечки оптимизированы для работы исключительно в диапазоне 1550 нм. Они
ориентированы на применение в морских и береговых волоконно-оптических системах дальней связи, несмотря на то, что
область минимальной дисперсии таких волокон в кабеле расположена в диапазоне 1310 нм.
Волокна разделены на три подкатегории, имеющие различия в нормах диаметра модового поля и дисперсионных характеристик.
Так, среди силикатных одномодовых оптических волокон, применяющихся в телекоммуникационной отрасли, оптические
волокна категории B имеют наибольший диаметр модового поля. Его максимальная величина может составлять 13,0±1,0
нм.
В части дисперсионных характеристик коэффициент поляризационной модовой дисперсии волокон категории А не должен
превышать 0,5 пс/√км, а для категорий B и C - 0,2 пс/√км. Кроме того, имеются различия и в нормировании коэффициента
хроматической дисперсии. Для волокон категории B он не должен превышать 22,0 пс/нм*км , а для категорий A и C - 20,0
пс/нм*км .

100.

ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
G.655 Одномодовое с ненулевой смещенной дисперсией
Разработка и внедрение систем DWDM выдвинули новые требования к характеристикам оптических волокон. Для технологии
DWDM логичней было бы использовать оптические волокна со смещенной дисперсией. Однако теоретические исследования
и эксперименты показали, что за счет нелинейных эффектов в волокне на длинах волн, близких к нулевой дисперсии,
возникают перекрестные искажения. Они приводят к взаимным влияниям и ухудшению качества связи. Чтобы избежать
влияния нелинейных эффектов, были разработаны волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (Non-Zero Dispersion
Shifted Fibre). Для них длина волны нулевой дисперсии вынесена за пределы полосы усиления эрбиевого усилителя. А
наличие малой ненулевой дисперсии в диапазоне 1550 нм у NZDSF необходимо для снижения влияния нелинейных
эффектов.
Требования к характеристикам таких оптических волокон сформулированы в Рекомендации ITU-T G.655. В настоящее время
действует ее третья редакция, вышедшая в 2006 г. Волокна NZDSF оптимизированы для использования в диапазоне волн от
1530 нм до 1565 нм. В процессе исследований возникла необходимость в дополнении полосы пропускания
длинноволновым диапазоном 1625 нм. Рекомендации разделяют волокна на пять подкатегорий - А, В, С, D, E, которые
различаются по значениям коэффициента поляризационной модовой дисперсии, хроматической дисперсии и рабочему
диапазону. Оптические волокна категории G.655.А обладают параметрами, обеспечивающими возможность их применения
в одноканальных и многоканальных системах с оптическими усилителями (Рекомендации G.691, G.692, G.693) и в
оптических транспортных сетях (Рекомендация G.959.1). Что касается применения в многоканальных системах, рабочие
длины волн и дисперсия в волокне ограничивают мощность входного сигнала. Оптические волокна категории G.655.B
обладают параметрами, аналогичными G.655.А. Разница в том, что в зависимости от рабочей длины волны и
дисперсионных характеристик мощность входного сигнала может быть выше, чем для G.655.А. Требования в части
поляризационной модовой дисперсии обеспечивают функционирование систем уровня STM-64 на расстоянии до 400 км.
Категория волокон G.655.C подобна G.655.B, однако более строгие требования в части поляризационной модовой дисперсии
позволяют использовать на данных оптических волокнах системы уровня STM-256 (Рекомендация G.959.1) или же
увеличивать дальность передачи систем STM-64 до 400 км. При разработке оптических волокон, удовлетворяющих
Рекомендации ITU-T G.655, для подводных кабельных линий осуществляется оптимизация параметров. Это может привести к
тому, что на практике некоторые характеристики волокон будут выходить за пределы диапазонов, установленных
Рекомендацией. Например, длина волны отсечки в одной из моделей световодов составляла 1500 нм. На сегодняшний день
существует два подхода к созданию волокон с ненулевой смещенной дисперсией. Основное различие между ними
заключается в реализуемом диаметре модового поля. С увеличением этого параметра удобнее вводить излучение в
световод, что особенно важно для DWDM-систем, использующих сложную интегральную оптику. Больший диаметр модового
поля позволяет повысить уровень мощности излучения, вводимого в волокно, приблизительно на 2 дБ. Однако волокна с
меньшим диаметром модового поля обладают меньшими потерями на сгибах и более пологой дисперсионной кривой.
Вместе с тем оба подхода в равной мере обеспечивают подавление нелинейных эффектов.
Асимметрия и неконцентричность сердцевины и оболочки в реальных оптических волокнах носят случайный характер, как по
длине оптического волокна, так и по времени, что определяет статистическую природу дифференциальной групповой
задержки и поляризационной модовой дисперсии.

101.

ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
G.656 Одномодовое с ненулевой дисперсией для
широкополосной передачи данных
Оптические волокна, соответствующие Рекомендации ITU-T G.656,
предназначены для передачи широкополосного оптического сигнала на базе
CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing - разреженное спектральное
уплотнение или спектральное уплотнение с низкой плотностью) и DWDM. Первая
редакция Рекомендации ITU-T была утверждена в 2006 г. и действует до
настоящего времени.
Эти волокна функционируют в широком диапазоне волн - от 1460 до 1625 нм.
Величина затухания нормируется для различных диапазонов. Так, для длин волн
1460-1530 нм типичное значение составляет 0,35 дБ/км, для диапазона 15301565 нм -0,275 дБ/км, а для диапазона 1565-1625 нм - 0,35 дБ/км. Диаметр
модового поля волокон для широкополосного оптического переноса у различных
производителей варьируется от 7 до 11 мкм.

102.

ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
G.657 Одномодовое с уменьшенными потерями на малых радиусах изгиба
Мировые тенденции развития волоконно-оптических технологий, обусловленные ростом
информационных потоков не только от единичных пользователей, но и от пользовательских
групп, привели к разработке одномодовых оптических волокон, характеризующихся малым
уровнем потерь на изгибах. Преимущества таких световодов особенно очевидны при
использовании в кабелях, предназначенных для прокладки внутри зданий и сооружений.
Такие волокна описаны в Рекомендации ITU-T G.657. Первая редакция утверждена в 2006
году.
Оптические волокна, удовлетворяющие требованиям Рекомендации, делятся на две категории: A
и B, которые различаются диаметром сердцевины. Для волокон типа A он составляет от 8,6 до
9,5 мкм, а для волокон типа B - от 6,3 до 9,5 мкм. Нормы потерь на макроизгибах
существенно ужесточены, поскольку этот параметр для G.657 является определяющим. Так,
10 витков волокна категории A, намотанного на оправку радиусом 15 мм, не должны
увеличивать затухание более чем на 0,25 дБ при длине волны 1550 нм. Один виток того же
волокна, намотанного на оправку диаметром 10 мм, при условии, что остальные параметры
не изменены, не должен увеличивать затухание более чем на 0,75 дБ. Не допускается также
увеличение волокнами категории B затухания на длине волны 1550 нм: 10 витков на
оправке диаметром 15 мм - более чем на 0,03 дБ, один виток на оправке диаметром 10 мм более чем на 0,1 дБ, один виток на оправке диаметром 7,5 мм - более чем на 0,5 дБ.
Для сравнения, согласно Рекомендации ITU-T G.652 приращение затухания в стандартных
одномодовых волокнах на 100 витках волокна, намотанного на оправку диаметром 600 мм,
не должно превышать 0,5 дБ на рабочей длине волны (1550 и 1625 нм), а изгиб с радиусом
7,5 мм может привести к сколу волокна.

103.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
Основой ВОСП являются оптоэлектронные компоненты, и в первую очередь
лазеры на передаче сигналов и фотодиоды на их приеме. От этих компонентов
напрямую зависит скорость передачи данных и максимальная длина ВОЛП. От
типа используемого передающего модуля зависит дисперсия ОВ.

104.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ПЕРЕДАЮЩИЙ ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ(ПОМ).
Основой ВОСП являются оптоэлектронные компоненты, и в первую очередь
лазеры на передаче сигналов и фотодиоды на их приеме. От этих компонентов
напрямую зависит скорость передачи данных и максимальная длина ВОЛП. От
типа используемого передающего модуля зависит дисперсия ОВ.
Лазер состоит из активной среды, устройства накачки и резонансной
системы (рис.). Активной средой может быть твердый, жидкий или газообразный
материал. Широкое применение получили полупроводники. В качестве
устройства накачки используется главным образом электрическая энергия. Могут
применяться также солнечная радиация, атомная энергия, химическая реакция
и другие источники. Роль резонанса выполняют зеркала или другие
полированные поверхности.
По принципу действия и эффекту светового излучения лазер может быть
отнесен к люминесцентным материалам. Известны различные виды
люминесценции (свечения): тепловая (лампочка накаливания), холодная (фосфор
и другие светящиеся материалы), природная (светлячок, гнилое дерево),
химическая (активная реакция) и др. В полупроводниковых лазерах действует
электрическая люминесценция — свечение происходит за счет электрической
накачки.

105.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ПЕРЕДАЮЩИЙ ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ(ПОМ).
1 — активная среда; 2 — устройство накачки; 3 — резонансная система

106.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ПЕРЕДАЮЩИЙ ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ(ПОМ).
Принцип действия квантовых приборов (лазеров) основан на
использовании излучения атомов вещества под воздействием внешнего
электромагнитного поля. Из квантовой механики известно, что движение
электронов атома вокруг ядра характеризует энергетическое состояние
электронов, иначе называемое энергетическим уровнем. При переходе
электронов с одной орбиты на другую под воздействием внешнего
электромагнитного поля меняется энергетический уровень и происходит
излучение энергии.
В настоящее время применяются различные типы лазеров:
полупроводниковые, твердотельные, газовые и др. Полупроводниковый лазер
представляет собой полупроводниковый диод типа р-n, выполненный из
активного материала, способного излучать световые кванты—фотоны. В качестве
такого материала преимущественно используется арсенид галия GaAs с
соответствующими добавками (теллура, алюминия, кремния, цинка). В
зависимости от характера и количества присадок полупроводник имеет области
электронной n (за счет теллура) и дырочной р (за счет цинка) проводимостей.

107.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ПЕРЕДАЮЩИЙ ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ(ПОМ).
Под действием приложенного напряжения в полупроводнике происходит
возбуждение носителей, в силу чего возникает излучение световой энергии и
появляется поток фотонов. Этот поток, многократно отражаясь от зеркал,
образующих резонансную систему, усиливается, что приводит к появлению
лазерного луча с остронаправленной диаграммой излучения.
Схематично полупроводниковый лазер показан на (рис. ).

108.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ПЕРЕДАЮЩИЙ ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ(ПОМ).
Объем полупроводника примерно 1 мм3. К нему подведены металлические
электроды для подачи электрического напряжения. Роль отражающих зеркал
выполняют плоскопараллельные отполированные торцевые грани
полупроводника. Излучение происходит в слое р-п перехода толщиной 0,15...0,2
мкм.
Наряду с лазерами в качестве источника оптического излучения могут
применяться светодиоды. Светодиод является таким же люминесцентным
полупроводником типа р-п из арсенида галия, но не имеет резонансного
усиления. В отличие от лазера, обладающего остронаправленным когерентным
лучом, в светодиоде излучение происходит спонтанно (самопроизвольно) и луч
имеет меньшую мощность и широкую направленность.
Сравнительные характеристики лазеров и светодиодов приведены в табл.5
и на (рис.25).

109.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ПЕРЕДАЮЩИЙ ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ(ПОМ).
Сравнивая обычный свет, создаваемый, например, лампочкой накаливания, с
лазерным лучом, можно отметить, что в обоих случаях действует поток фотонов. Но в
отличие от обычного света, основанного на тепловой природе возникновения и
излучающего очень широкий непрерывный спектр частот, лазерный луч имеет
электромагнитную основу и представляет собой монохроматический (одноволновый)
луч.

110.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ПЕРЕДАЮЩИЙ ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ(ПОМ).
Рис. Ширина спектра лазера (1), светодиода (2)

111.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ПЕРЕДАЮЩИЙ ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ(ПОМ).
Рис. Лазерный диод и светодиод.

112.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ПЕРЕДАЮЩИЙ ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ(ПОМ).
Лазерный луч обладает рядом замечательных свойств. Он распространяется
на большие расстояния и имеет строго прямолинейное направление. Луч
движется очень узким пучком с малой степенью расходимости (он достигает луны
с фокусировкой в сотни метров). Лазерный луч обладает большой теплотой и
может пробивать отверстие в любом материале. Световая интенсивность луча
больше, чем интенсивность самых сильных источников света.
Ввод излучения для одномодового оптоволокна осуществляется узким лучом
точно вдоль оси сердечника оптоволокна. В качестве оптического источника
излучения здесь применим только лазерный диод.
Для многомодовых волокон может использоваться и более дешевый
светодиодный излучатель, имеющий более широкую диаграмму направленности
излучения.

113.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ПРИЕМНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ(ПРОМ).
В качестве приемного устройства, преобразующего свет в электричество,
применяется фотодиод. Здесь используется эффект Столетова, состоящий в том,
что при воздействии света на активный материал, например полупроводник,
изменяются его электрические свойства и возникает электрический сигнал
(рис.26).
Таким образом в лазерах электричество преобразуется в свет, а в
фотодиодах происходит обратный процесс: свет преобразуется в электричество.

114.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ПРИЕМНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ(ПРОМ).
Рис. Полупроводниковый фотодиод

115.

ТЕХНОЛОГИЯ DWDM
Метод частотного разделения каналов, заключается в том, что в световод
одновременно вводится излучение от нескольких источников, работающих на
разных частотах, а на приемном конце с помощью оптических фильтров
происходит разделение сигналов. Такой метод разделения каналов в ВОЛС
получил название спектрального уплотнения или мультиплексирования.
Суть технологии спектрального, или оптического уплотнения заключается в
возможности организации множества раздельных потоков по одному волокну, а,
следовательно, многократном увеличении пропускной способности линии связи.
Основы этой технологии были заложены в 1958, еще до появления самой
волоконной оптики. Однако прошло около 20 лет, прежде чем были созданы
первые компоненты мультиплексных систем. Первоначально они создавались для
лабораторных исследований, и лишь в 1980 году технология спектрального
уплотнения (WavelengthDivisionMultiplexing, WDM) была предложена для
телекоммуникаций. А еще через пять лет в исследовательском центре компании
AT&T была реализована технология плотного спектрального уплотнения
(DenseWavelengthDivisionMultiplexing, DWDM), когда удалось в одном оптическом
волокне создать 10 каналов по 2 Gbps.

116.

ТЕХНОЛОГИЯ DWDM
Подобно тому, как видимый человеческим глазом свет состоит из различных
цветов, на которые можно его разложить, а затем опять собрать, так и передаваемый
по технологии DWDM световой поток, состоит из различных длин волн (λ). То есть по
одному волокну можно передавать более сотни стандартных каналов.

117.

ТЕХНОЛОГИЯ DWDM
Преимущества DWDM очевидны. Эта технология позволяет получить
наиболее масштабный и рентабельный способ расширения полосы пропускания
волоконно-оптических каналов в сотни раз. Пропускную способность оптических
линий на основе систем DWDM можно наращивать, постепенно добавляя по
мере развития сети в уже существующее оборудование новые оптические
каналы.
Уже к 2006 году была достигнута частота модуляции 111 ГГц, в то время как
скорости 10 и 40 Гбит/с стали уже стандартными скоростями передачи по одному
каналу оптического волокна. При этом каждое волокно, используя
технологию спектрального уплотнения каналов может передавать до нескольких
сотен каналов одновременно, обеспечивая общую скорость передачи
информации, исчисляемую терабитами в секунду. Так, к 2008 году была
достигнута скорость 10,72 Тбит/с, а к 2012 — 20 Тбит/с. Последний рекорд
скорости - 255 Тбит/с.
С 2017 года специалисты говорят о достижении практического предела
существующих технологий оптоволоконных линий связи и о необходимости
кардинальных изменений в отрасли.

118.

РАСЧЕТ ЗАТУХАНИЯ ЭКУ
Расчет допустимого перекрываемого затухания сигнала в ВОК (дБ)
производится по формуле 1, соответствующей РД 45.047-99 (формула 5.1):
А
L n n М (1)
макс
мах
ок
нс
нс
рс
рс
где L макс (км) – длина кабеля на участке регенерации,
ок (дБ/км) – километрическое затухание в оптических волокнах кабеля,
нс (дБ) – среднее затухание мощности оптического излучения неразъемного
оптического соединителя,
nнс– количество разъемных оптических соединителей на участке регенерации,
рс (дБ) – затухание мощности оптического излучения разъемного оптического
соединителя,
n рс– количество разъемных соединителей на участке регенерации,
М (дБ) - системный запас по кабелю на участке регенерации.

119.

РАСЧЕТ ЗАТУХАНИЯ ЭКУ
Системный запас по кабелю ( М ) на участке регенерации учитывает
изменение состава оптического кабеля за счет появления дополнительных
(ремонтных) вставок, сварных соединений, а также изменение характеристик
оптического кабеля, вызванное воздействием окружающей среды и ухудшением
оптических кабелей в течение срока службы. Расчет системного запаса
производится по формуле:
М L мах T nнс1 нс M ст (2)
где (отказ/год) – среднее число (плотность) повреждений ОК за счет
внешних повреждений на 100 км кабеля в год,
Т (год) – срок службы ВОЛС,
nнс1 2 количество неразъемных соединителей одного повреждения ОК,
M ст - запас на старение ОВ.
Например:
Расчет затухания на длине волны 1550 нм, дБ:
85*0,22+26*0,05+4*0,6+85*0,0034*25*2*0,05+4=27,12
Расчет затухания на длине волны 1550 нм, дБ:
85*0,36+26*0,05+4*0,6+85*0,0034*25*2*0,05+4=39,02

120.

РАСЧЕТ ДИСПЕРСИИ ЭКУ
Ограничение длины участка регенерации по широкополосности (км)
рассчитывается по формуле 3 соответствующей РД 45.047-99 (формула 5.3):
4,4 105
(3)
Lв
В
где
(пс/нм х км) – суммарная дисперсия одномодового оптического волокна,
В= 155,52 МГц – широкополосность цифровых сигналов, передаваемых по
оптическому тракту,
– ширина спектра источника излучения.

121.

Спасибо за внимание!!!
Родин Александр Алексеевич
Ведущий инженер ЛС СС
ООО «Газпром трансгаз Томск»