Затухания оптических волн в рассмотренных световодах могут составлять десятки децибел на километр, поэтому их целесообразно применять в оптических линиях связи на относительно небольшие расстояния.
6.4. Волноводные линии связи
Для передачи широкополосных сигналов на большие расстояния могут применяться волноводные линии связи (ВЛС). Они работают в диапазоне миллиметровых волн (30—100 ГГц), которые передаются по круглому волноводу диаметром 40—60 мм. В таких линиях связи применяются импульсные методы модуляции (ИKM-AM, ИКМ-ЧМ, ИКМ-ФМ), а также помехоустойчивые аналоговые методы модуляции типа ЧМ с большим индексом частотной модуляции.
Структурная схема ВЛС такая же, как у РРЛ. В ее состав входит каналообразующая аппаратура, передатчики, приемники и разделительные фильтры оконечных и промежуточных станций, но оконечные и промежуточные станции ВЛС соединены между собой линейным волноводом. К особенностям ВЛС относится прежде всего большая частотная емкость. В диапазоне частот 30—100 ГГц только по одному волноводу можно передавать несколько десятков широкополосных дуплексных стволов. Так, например, в полосе 250 МГц можно организовать 60 стволов.
Интервал между приемо-передающими станциями зависит прежде всего от характеристик сигнала, аппаратуры и параметров волновода. По сравнению с РРЛ прямой видимости этот интервал примерно в 2 раза меньше и не превышает 25 км.
Взаключение данного модуля отметим, что оптические, волноводные и световодные системы связи являются весьма перспективными. Некоторые из них уже нашли, а другие в ближайшее время найдут применение в качестве самостоятельных многоканальных систем или в качестве вставок в магистральные линии связи.
6.5.Оптоволоконные линии передачи
Воптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов
61
с очень большими скоростями. Это относительно надежный (защищенный) способ передачи, поскольку электрические сигналы при этом не передаются. Следовательно, оптоволоконный кабель нельзя вскрыть и перехватить данные, отчего не застрахован любой кабель, проводящий электрические сигналы. Кроме того, такие проблемы передачи информации по проводам как электромагнитные помехи, перекрестные помехи (переходное затухание) и необходимость заземления, полностью устраняются. Вдобавок, чрезвычайно уменьшается погонное затухание, позволяя протягивать оптоволоконные связи без регенерации сигналов на большие дистанции, достигающие 120 км.
Оптическое волокно – чрезвычайно тонкий стеклянный цилиндр, называемый жилой (core), покрытый слоем стекла, называемого оболочкой, с иным, чем у жилы, коэффициентом преломления. Иногда оптоволокно производят из пластика. Пластик проще в использовании, но он передает световые импульсы на меньшие расстояния по сравнению со стеклянным оптоволокном. Каждое стеклянное оптоволокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с отдельными коннекторами. Одно из них служит для передачи, а другое – для приема. Жесткость волокон увеличена покрытием из пластика, а прочность – волокнами из кевлара.
Оптоволоконный кабель идеально подходит для создания сетевых магистралей, и в особенности для соединения между зданиями, так как он нечувствителен к влажности и другим внешним условиям. Также он обеспечивает повышенную по сравнению с медью секретность передаваемых данных, поскольку не испускает электромагнитного излучения, и к нему практически невозможно подключиться без разрушения целостности.
Недостатки оптоволокна в основном связаны со стоимостью его прокладки и эксплуатации, которые обычно намного выше, чем для медной среды передачи данных. Эта разница стала привычной, тем не менее, в последние годы она стала сглаживаться. Но независимо от указанных преимуществ и недостатков применение оптоволокна приносит с собой другие проблемы, такие как процесс прокладки.
62
Разводка оптоволоконного кабеля в основном ничем не отличается от укладки медного, но присоединение коннекторов требует принципиально иного инструмента и технических навыков.
Существуют два различных типа оптоволоконного кабеля:
многомодовый или мультимодовый кабель, более
дешевый, но менее качественный;одномодовый кабель, более дорогой, но имеет
лучшие характеристики по сравнению с первым.
Суть различия между этими двумя типами сводится к разным режимам прохождения световых лучей в кабеле.
Водномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего он и достигают приемника одновременно, и форма сигнала почти не искажается. Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает свет только с такой же длиной волны (1,3 мкм). Дисперсия и потери сигнала при этом очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномодового кабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны. Такие приемопередатчики пока еще сравнительно дороги и недолговечны. Однако в перспективе одномодовый кабель должен стать основным типом благодаря своим прекрасным характеристикам. К тому же лазеры имеют большее быстродействие, чем обычные светодиоды. Затухание сигнала в одномодовом кабеле составляет около 5 дБ/км и может быть даже сниженодо1 дБ/км.
Вмногомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается. Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки 125 мкм (это иногда обозначается как 62,5/125). Для передачи используется обычный (нелазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем. Длина волны света в многомодовом кабеле равна 0,85 мкм, при этом наблюдается разброс длин волн около 30–50 нм. Допустимая длина
63
кабеля составляет 2–5 км. Многомодовый кабель – это основной тип оптоволоконного кабеля в настоящее время, так как он дешевле и доступнее. Затухание в многомодовом кабеле больше, чем в одномодовом и составляет 5–20 дБ/км.
Типичная величина задержки для наиболее распространенных кабелей составляет около 4 –5 нс/м, что близко к величине задержки в электрических кабелях.
Оптоволоконные кабели, как и электрические, выпускаются в исполнении plenum и non-plenum.
Оптоволоконный кабель известен уже долгое время, его поддерживали даже ранние стандарты Ethernet для пропускной способности 10 Мбит/с. Первый из них получил название FOIRL (Fiber-OpticInter-Repeater Link), а последующий -10BaseF. Несмотря на это, оптоволокно позиционируется как высокоскоростная сетевая технология, и сегодня фактически все применяемые протоколы Канального уровня используют его в той или иной форме.
Вот некоторые из них: Fast Ethernet(100BaseFX)
Gigabit Ethernet(1000BaseFX);/li>
Token Ring;
Fiber Distributed Data Interface(FDDI);
100VG-AnyLAN;
Asynchronous Transfer Mode;
Fibre Channel.
Как и медный, оптоволоконный кабель обычно применяется в сетях топологии "шина" или "звезда", хотя протокол FDDI популяризирует "двойное кольцо" (doublering), которое в целях обеспечения отказоустойчивости состоит из двух резервных "колец", по которым трафик передается в противоположных направлениях.
Свет и ток Из школьного курса физики нам известно, что свет или световая
волна проходит значительное расстояние с гораздо большей скоростью, чем электрический ток. Поэтому, в настоящий момент мы видим, что по мере развития оптоволоконных технологий, это преимущество все чаще ставится в основу возникновения новейших достижений в области волоконной оптики.
64
Теперь на смену обычным медным кабелям пришли оптические, имеющие неоспоримое превосходство по сравнению с первыми. Помимо высокой скорости передачи информации, они независимы от влияния электромагнитных полей, надежны в плане производимых потерь и более долговечные. Однако, чтобы правильно реализовать проект по проведению волоконных линий связи, и в полной мере насладиться всеми преимуществами оптических волокон, полезно знать основные принципы теории законов оптики.
Закон оптики
Существует волновая теория света, согласно которой свет рассматривается как электромагнитная волна определенной длины и чтобы ее передавать на расстояния, нужно создавать изолированные оптически прозрачные среды. Наверно, вы помните, что в однородной среде свет идет прямолинейно, отражаясь от поверхности раздела среды и, как только он переходит через другую границу среды, начинает преломляться под определенным углом по отношению к первой среде. Используя физический закон поведения светового луча, в волоконной оптике добились управления световым потоком, передавая его по назначению с применением определенной среды.
Принцип оптического волокна Для сохранения мощности светового импульса на дальних
расстояниях требуется снижение потерь информации, которое достигается за счет получения прозрачной среды, препятствующей поглощению света и выверенной линии пути луча света. Если прозрачную среду можно получить, используя, к примеру, современное кварцевое стекло, то обеспечение точной траектории луча зависит от знания и правильного применения выше приведенного закона оптики.
Межмодовая дисперсия Ввиду того, что практически невозможно гарантировать
идеальное прохождение светового излучения строго по вытянутой линии, часто создается такая ситуация, что импульс содержит несколько волн (мод), которые проходят по всему кабелю к приемнику неодновременно, а с некоторым интервалом времени. Те
65