работа

Введение
В середине 70-х годов XX века фирма Corning освоила производство волоконных световодов с
низким затуханием, появились надежные лазеры, и с этого времени началось практическое
использование ВОЛС (Волоконно-оптические линии связи), стремительное развитие волоконных
систем. ВОЛС заняли ведущую позицию в системах передачи информации, стали важнейшим
звеном в информационной инфраструктуре современного общества.
Эволюцию развития ВОСС на этапе зарождения волоконной оптики принято разделять по годам,
вторую половину эволюцию разделяют по этапам.
1960 год
Изобретение и демонстрация первого лазера.
1966 год
На основе испытаний первых лазеров установлено, что они могут быть лучшим выбором для
волоконно-оптических систем связи. Однако на тот момент не было практически пригодного для
ВОСС оптического волокна: опытные образцы таких волокон вносили затухание более 1000 дБ/км.
1970 год
Прорыв произошел в 1970 году: фирма Cornglass получила опытные образцы волокна с
затуханием 20 дБ/км в диапазоне длин волн, близких к 1000 нанометров (нм). Практически
одновременно было доказано, что GAs полупроводниковые лазеры могут непрерывно работать
при температуре помещения.
Наличие оптического волокна с малым затуханием и компактного источника оптического
излучения сделали реальным создание волоконно-оптической системы связи.
1975 год
Тридцатилетний период развития после 1975 года обычно представляют в виде нескольких
последовательных этапов, каждый из которых вносил фундаментальные изменения в состояние
ВОСС.
Этап 1
Первые волоконно-оптические системы связи работали в области длин волн 850 нм и
использовали многомодовое волокно и полупроводниковые лазеры на арсениде галлия GaAs .
Первые испытания таких систем проводились в (1977…1979) годах, а коммерческое применение
получили с 1980 года. Они работали на скоростях передачи 34…45 Мбит/с с максимально
допустимой длиной регенерационного участка 10 км.
Для сравнения: достижение таких же скоростей передачи в коаксиальных системах передачи
возможно только при длине регенерационного участка не более 1 км.
Параметры первых ВОСС были специфицированы в двух рекомендациях ITU-T – рекомендации
G.651, где определены параметры мультимодового оптического волокна, работающего в
диапазоне длин волн (или окне) 850 нм и рекомендации G.956 (теперь G.955), где определены
параметры ВОСС, работающей в окне 850 нм на скоростях плезиохронной цифровой иерархии
PDH.
Этап 2
Уже в 1970-ых годах стало очевидно, что длина регенерационного участка волоконно-оптической
системы связи может быть значительно увеличена, если использовать окно 1300 нм, где затухание
волокна составляет менее 1 дБ/км. Более того, оптическое волокно в этом окне волн имеет также
минимальную дисперсию. Было также установлено, что реализация такой ВОСС требует
применения InGaAsP полупроводниковых лазеров на основе фосфид-арсенид индия-галлия
InGaAsP и детекторов, работающих в окне 1300 нм.
Приборы с такими параметрами появились в начале 1980-ых годов. Однако скорость передачи в
ранних системах ВОСС 2-го этапа была ограничена 100 Мбит/с из-за большой дисперсии в
мультимодовых волокнах в этом окне. Это ограничение было преодолено использованием
одномодовых волокон. Лабораторный эксперимент в 1981 году показал возможность достижения
скорости 2 Гбит/с при длине одномодового волокна 44 км в диапазоне длин волн 1300 нм.
Коммерческое внедрение 2-го поколения волоконно-оптических систем связи с параметрами –
скоростью передачи до 1,7 Гбит/с и длиной регенерационного участка около 50 км – началось в
1988 году.
Параметры 2-го поколения ВОСС стандартизованы 2-мя рекомендациями ITU-T – рекомендацией
G.652, которая специфицирует параметры одномодового волокна в окне 1300 нм, и
рекомендацией G.957, которая определяет характеристики ВОСС, работающих в окне 1300 нм и
соответствующих скоростям передачи синхронной цифровой иерархии SDH до STM-16. Кроме
того, рекомендация G.956, которая теперь называется G.955, была дополнена параметрами
систем плезиохронной цифровой иерархии PDH, работающих в окне 1300 нм.
Этап 3
Длина регенерационного участка второго поколения волоконно-оптических систем связи,
работающих в окне 1300 нм, была ограничена затуханием волокна на волне 1300 нм, которое
равно 0,5 дБ/км. Затухание же кремниевого волокна имеет место вблизи волны 1550 нм и
составляет 02 дБ/км.
Однако внедрение ВОСС, работающих по одномодовому волокну в окне 1550 нм, было
значительно задержано из-за большой дисперсии волокна на волне 1550 нм. Кроме того, типовые
InGaAsP полупроводниковые лазеры не могли быть использованы из-за явления расширения
импульсов в результате одновременной осцилляции нескольких продольных волн. Проблему
дисперсии можно было преодолеть использованием волокон со сдвинутой дисперсией, имеющих
минимальную дисперсию на волне 1550 нм, или ограничением спектра лазерного излучения
только одной продольной модой. Оба способа исследовались в начале 1980-х годов.
Лабораторные испытания, проведенные в 1985 году, показали возможность достижения
скоростей передачи 4 Мбит/с при длине волокна более 100 км.
ВОСС третьего поколения стали коммерчески доступны в 1992 году. Такие ВОСС оказались
способными работать на скоростях до 10 Гбит/с. Причём лучшие результаты были достигнуты
путём комбинированного применения волокон со сдвинутой дисперсией и лазеров, работающих
в режиме единственной продольной моды.
Параметры 3-го поколения волоконно-оптических систем связи специфицированы в следующих
рекомендациях ITU-T:



рекомендации G.653, регламентирующей характеристики одномодового волокна со
сдвинутой дисперсией;
рекомендации G.652, G.955 (прежнее название G.956) и G.957, которые изменены или
дополнены параметрами ВОСС, работающими в окне 1550 нм;
рекомендации G.974, нормирующей параметры подводных ВОСС.
Этап 4
Недостатком 3-го поколения ВОСС была необходимость применения электронных усилителей
через каждые (70…80) км. Эта ситуация изменилась только в 1989 году с изобретением оптических
усилителей.
4-ое поколение ВОСС сделало возможным использование оптического усиления для увеличения
длины регенерационного участка и спектрального мультиплексирования wavelength division
multiplexing (WDM) для увеличения агрегатной скорости передачи. Появление WDM положило
начало удвоению пропускной способности системы каждые 6 месяцев. В большинстве WDM
систем затухание длина регенерационного участка составляло 70…80 км и компенсировалось с
помощью легированных эрбием оптических усилителей. Такие усилители, работающие в
диапазоне частот C-band (1 530-1 565 nm), были разработаны после 1985 года и стали
коммерчески доступны в 1990 году. Эксперименты 1991 года показали возможность передачи
данных со скоростью 2,5 Гбит/с более чем на 21000 км и со скоростью 5 Гбит/с более чем на 14000
км при использовании recirculating-loop configuration. Тем самым была подтверждена
принципиальная реальность межконтинентальной связи с помощью подводных ВОСС с
оптическими усилителями, а начиная же с 1996 года стала возможной коммерческая эксплуатация
трансатлантических и транстихоокеанских подводных волоконно-оптических систем связи, число
которых постоянно росло.
Параметры оптического волокна, систем связи с оптическими усилителями и метода передачи
WDM специфицированы целой группой разработанных ITU-T рекомендаций. Так, рекомендация
G.655 регламентировала параметры одномодового оптического волокна со сдвинутой ненулевой
дисперсией, а рекомендации G.694.1 и G.694.2 определяли спектральные сетки для приложений
DWDM и CWDM.
Следующая группа рекомендаций ITU-T специфицировала характеристики ВОСС,
предназначенных для работы со специальными приложениями DWDM:






G.959.1 для связи между серверами доменов Интернет без линейных оптических
усилителей;
G.698.1 для городских сетей доступа без линейных оптических усилителей;
G.698.2 для городских/региональных сетей доступа с линейными оптическими
усилителями;
G.696.1 для магистральных (core) сетей c оптическими усилителями;
G.973 для подводных систем без линейных оптических усилителей;
G.977 для подводных систем с линейными оптическими усилителями.
Наконец, рекомендация G.695 определяет системы CWDM для городских сетей и сетей доступа.
Этап 5
Этот этап касается текущего развития волоконно-оптических систем связи и некоторых
направлений их эволюции.
Первое направление рассматривает магистральную (long-haul) волоконно-оптическую связь на
большие расстояния.
Ключевым аспектом этого направления является увеличение пропускной способности таких
систем путём:

передачи большего числа каналов методом WDM в диапазоне C-band (1530…1565) за счёт
сокращения канального интервала. Коммерческие наземные системы с пропускной


способностью 1,6Тбит/с (160 каналов по 10 Гбит/с каждый) уже имеют канальный
интервал 25 ГГц.
развёртывания оптических каналов не только в диапазоне C-band, но также на коротких
волнах S-band (1460…1530) нм и длинных волнах L-band (1565…1625) нм. Рамановский
метод усиления может быть использован для сигналов во всех 3-х диапазонах длин волн.
Более того, новый тип волокна, известный как «low water peak fibre», имеет малое
затухание во всем диапазоне длин волн от 1,3 нм до 165 нм. Наличие такого волокна и
новых схем усиления позволяет создавать ВОСС с большим числом каналов WDM на
одном оптическом волокне.
увеличения скорости передачи в каждом канале внутри сигнала WDM. Начиная с 2000
года во многих экспериментах использовались каналы, работающие на скорости 40
Мбит/c. Более того, начиная с 2006 года в некоторых экспериментах были достигнуты
скорости передачи в каждом канале WDM до (110…130) Гбит/с. Большинство этих новых
систем требует очень точного управления их дисперсией и новых методов обращения со
временем поляризации различных эффектов (PMD и PDL 1-го и 2-го порядков).
2-ое направление эволюции – сокращение числа дорогостоящих
оптических/электронных/оптических преобразований (O/E/O) в оптической транспортной сети
OTN.
Успешное решение этой задачи оказалось возможным благодаря созданию:



волоконно-оптических систем, способных переносить оптические сигналы DWDM на
тысячи километров без электрической регенерации;
устройств фотонной кросс-коннекции PXCs и оптических мультиплексоров
ввода/выделения OADMs, пригодных по своим параметрам (пропускной способности,
потребляемой мощности, цене и т.п.) для использования в сетях связи.
3-е направление эволюции (как альтернатива 2-ому) – применение множества O/E/O
регенераторов по цене сравнимых с оптическими усилителями. Сегодня эта цель,
казавшаяся ещё вчера совершенной фантазией, становится реальностью благодаря
достижениям в области фотонных интегральных схем и силиконовой фотонике.
Уже сегодня доказана экспериментально возможность получения на одном чипе 40 каналов WDM
по 40 Гбит/с каждый. При этом пути эволюции можно было бы установить O/E/O регенераторы
практически во всех узлах сети, а необходимые дополнительные затраты компенсировать более
эффективным решением таких проблем, как улучшение аккумуляции, правил планирования сети,
оптического мониторинга и т.п.
В рамках этих направлений эволюции уже подготовлены некоторые рекомендации ITU-T, другие
же находятся в стадии разработки. В качестве уже подготовленных можно указать рекомендацию
G.656 для волокна с ненулевой дисперсией для широкополосного оптического транспорта,
расширение рекомендации G.959.1, куда включены системы 40 Мбит/с, и рекомендацию G.680,
разрешающую операторам использовать OADMs и PXCs разных производителей и интегрировать
их в полностью оптическую сеть AON без добавления дорогих O/E/O преобразований.
Преимущества оптического волокна
Большая пропускная способность и более высокая скорость—оптоволоконный кабель
поддерживает чрезвычайно высокую пропускную способность и скорость. Большое количество
информации, которое может быть передано на единицу оптоволоконного кабеля, является его
наиболее значительным преимуществом.
Дешевле — длинные, непрерывные мили оптоволоконного кабеля могут быть сделаны дешевле,
чем эквивалентные длины медного провода. С многочисленными поставщиками, борющимися за
долю рынка, цена оптического кабеля обязательно упадет.
Тоньше и легче — оптическое волокно тоньше, и его можно вытянуть на меньшие диаметры, чем
медный провод. Они имеют меньший размер и легкий вес, чем сопоставимый медный кабель,
поэтому лучше подходят для мест, где требуется пространство.
Более высокая пропускная способность — поскольку оптические волокна намного тоньше, чем
медные провода, больше волокон могут быть объединены в кабеле заданного диаметра. Это
позволяет больше телефонных линий переходить по одному и тому же кабелю или большему
каналу, проходящему через кабель в вашу кабельную телевизионную коробку.
Меньшая деградация сигнала — потеря сигнала в оптическом волокне меньше, чем в медном
проводе.
Световые сигналы — в отличие от электрических сигналов, передаваемых по медным проводам,
световые сигналы от одного волокна не влияют на сигналы других волокон в том же
оптоволоконном кабеле. Это означает более четкие телефонные разговоры или прием на
телевидении.
Долгий срок службы — оптические волокна обычно имеют более длительный жизненный цикл
более 100 лет.
Недостатки оптического волокна
Низкая мощность — светоизлучающие источники ограничены низкой мощностью. Хотя
излучатели высокой мощности доступны для улучшения энергопотребления, это добавит
дополнительную стоимость.
Хрупкость — оптическое волокно довольно хрупкое и более уязвимо к повреждениям по
сравнению с медными проводами. Лучше не скручивать и не сгибать оптоволоконные кабели
слишком сильно.
Расстояние — расстояние между передатчиком и приемником должно быть коротким, или
повторители необходимы для усиления сигнала.
Краткая теория распространения излучения в оптическом волокне
Известно, что скорость света v в прозрачном веществе меньше скорости света с = 300000 км/с в
вакууме. Отношение с/v = n — это есть показатель преломления света в веществе.
Луч света, распространяющийся в среде с показателем преломления n1, и падающий на границу
со средой, имеющей меньший показатель преломления n2, преломится и продолжит своё
движение во второй среде (рисунок 1, луч 1).
Если угол падения светового луча 1 увеличить, то увеличится и угол преломления 2. При 2 = 90
преломленный луч будет скользить вдоль границы раздела двух сред. Угол падения, при котором
это происходит, называется углом полного внутреннего отражения (луч 2 на рисунке 1). Если угол
падения больше угла полного внутреннего отражения, то световой луч (луч 3) не заходит в среду с
меньшим показателем преломления, а полностью отражается вовнутрь. Именно этот принцип
полного внутреннего отражения позволяет оптическим волокнам проводить свет.
Рисунок 1
Волокно состоит из сердцевины (сердечника) и оболочки. Оболочка окружает оптически более
плотную сердцевину, являющуюся светонесущей частью волокна.
Показатель преломления сердечника n1, а оболочки n2, причем всегда n1 > n2.
Рассмотрим ход лучей света в волокне (рисунок 2):
Предположим, что θ1 – угол падения луча света, а θ2 - угол преломления этого луча.
Так как n1 > n2, то существует критический угол падения Q1 = θс, при котором угол преломления Q2
будет равен 90 градусов (Sin90=1), при этом свет не будет выходить в оболочку.
Рисунок 2. – Ход лучей света в волокне
Тогда согласно закону Снеллиуса:
𝑠𝑖𝑛 𝑄1 𝑛2
=
𝑠𝑖𝑛 𝑄2 𝑛1
θс = arcsin (n2 / n1)
Если угол падения на границе раздела меньше критического угла падения (Луч 2), то при каждом
внутреннем отражении часть энергии рассеивается наружу, что приводит к затуханию света.
Необходимо учесть, что свет вводят в торец волокна, при этом на боковую поверхность волокна
будет падать луч, преломлённый его торцом. И падать он должен так, чтобы полностью
отражаться от боковой поверхности. Возникает вопрос, под каким же углом надо вводить луч в
волокно?
Режим полного внутреннего отражения предопределяет условие подачи света на входной торец
ОВ, так как ОВ пропускает лишь свет, заключённый в пределах телесного угла θA. Этот телесный
угол характеризуется апертурой.
Апертура – это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса,
попадающего в торец волокна, при котором выполняется условие полного внутреннего
отражения.
Угол ввода светового потока в оптическое волокно должен быть меньше апертурного.
Таким образом, апертура световода – это максимальный возможный угол ввода лучей на торец
световода. Обычно пользуются понятием числовой апертуры:
NA = n0 · Sin θ A.
Для воздуха n0 = 1.Для волокна со ступенчатым профилем значение числовой апертуры
выражается через показатели преломления:
NA = Sin θ A = √𝑛12 − 𝑛22
Для кварца n1 ≈ 1,47, n2 ≈ 1,46, NA = 0,17, θA ≈ 100.
Один из важнейших параметров, характеризующий волокно, это – относительная разность
показателей преломления Δ
Δ = (𝑛12 − 𝑛22 )⁄2𝑛12
В волоконном световоде могут существовать три типа волн – направляемые, излучаемые и
вытекающие. Лучи, траектории которых полностью лежат в оптически более плотной среде,
называются направляемыми. Энергия направляемых лучей не рассеивается наружу, и такие лучи
могут распространяться на большие расстояния. Излучаемые волны возникают за счёт лучей,
введённых вне апертуры, и уже вначале линии они излучаются в окружающее пространство.
Вытекающие волны (лучи оболочки) частично распространяются вдоль световода, а часть
излучается в окружающее пространство.
В современных волокнах обычно показатель преломления оболочки n2 меньше n1 (показателя
преломления сердцевины) на 0,36%, то есть: 𝑛2 = 𝑛1 × (1 − 0,0036)
Режим работы ОВ зависит от нормированной частоты 𝜈, значение которой рассчитывается по
формуле:
𝜈=
2𝜋а𝑐 𝑁𝐴
𝜆
где ас - радиус сердцевины ОВ.
В случае, если 𝜈 < 2,405 - то в волокне будет распространяться только одна мода (одномодовый
режим). С увеличением значения нормированной частоты число распространяющихся мод в ОВ
возрастает, т. е, при 𝝂 > 2,405 - режим многомодовый.
В случае, если: 2,405 < 𝜈 < 3,832 – то в ОВ распространяется 4 моды.
Минимальная длина волны, при которой в волокне распространяется только одна мода,
называется волоконной длиной волны отсечки, значение которой определяется из выражения
как:
𝜆𝐶𝐹 = 2𝜋𝑎√𝑛12 − 𝑛22 /2,405
Если рабочая длина волны меньше длины волны отсечки, то имеет место многомодовый режим
распространения света.
Расчет параметров оптического волокна
Нормированная частота
Одним из главных параметров оптического волокна является нормированная частота. Данный
параметр определяет режим работы оптического волокна.
Если нормированная частота 𝜈 находится в пределах 0 < 𝜈 < 2,405, то режим работы
одномодовый, если 𝜈 > 2,405 – режим многомодовый.
Определяется нормированная частота 𝜈 по формуле:
𝜈=
𝜋𝑑𝑐
√𝑛1 2 − 𝑛2 2 , Гц
𝜆
где dс – диаметр сердцевины ОВ, мкм; 𝜆 - длина волны излучателя, мкм; n1, n2 – показатели
преломления сердцевины и оболочки соответственно.
Межмодовая удельная дисперсия
Под дисперсией в волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) понимается явление
уширения световых импульсов при прохождении по ОВ.
Уширение импульсов определяется как квадратичная разность длительности импульсов на
выходе и входе ОВ:
2 − 𝜏2
𝜏 = √𝜏вых
вх
где tвх, tвых - значения длительности импульсов на уровне половины амплитуды на входе и выходе
ОВ.
Дисперсия, с одной стороны, ограничивает пропускную способность или ширину полосы
пропускания ОВ, а с другой, существенно снижает дальность и скорость передачи информации по
ОК, так как чем длиннее линия, тем больше проявляется дисперсия.
Дисперсия в общем случае определяется тремя основными факторами: различием скоростей
распространения направляемых мод, направляющими свойствами оптического волокна и
параметрами материала, из которого оно изготовлено.
Основными причинами дисперсии являются:


существование большого количества мод в ОВ;
некогерентность источников оптического излучения.
В первом случае дисперсия называется межмодовой. Межмодовая дисперсия существует только
в многомодовом ОВ и обусловлена различной скоростью распространения в ОВ лучей разных
мод, достигающих выхода в различное время, что приводит к уширению выходного импульса.
Величина межмодовой дисперсии определяется, в основном, профилем показателя преломления
ОВ. В одномодовых ОВ межмодовая дисперсия возникает, если рабочая длина волны меньше
длины волны отсечки волокна, т. е. когда режим работы ОВ перестает быть одномодовым.
Во втором случае дисперсия называется хроматической и обусловлена различием времени
распространения различных спектральных компонентов сигнала. Сам импульсный сигнал
представляет собой бесконечную совокупность монохроматических составляющих, частоты
которых образуют непрерывный спектр сигнала. Кроме того, оптическая несущая также содержит
бесконечное множество монохроматических составляющих в пределах спектра излучения
источника.
Любой световой импульс, введенный в волокно, состоит из ряда лучей, которые
распространяются и вдоль оси волокна и по траекториям, очень наклоненным к ней.
Луч 1 - осевой. Луч 2 - распространяющийся под углом θкр , соответствующим полному
отражению от границы раздела с оболочкой. Пусть осевой луч №1 пройдет путь L вдоль волокна.
На это он затратит время
Здесь v - скорость света в сердцевине. Чтобы сместиться вдоль оси волокна на то же расстояние,
наиболее наклонный луч №2 должен пройти путь
лучи, введенные в волокно одновременно, пройдя расстояние L, на выход придут с
запаздыванием
В результате световой импульс, содержащий лучи под всеми возможными углами, окажется
размытым во времени на величину, определяемую выражением
Такое уширение светового импульса при его распространении, возникающее из-за того, что лучи в
волокне распространяются под разными углами и проходят при этом разные расстояния,
называется межмодовой дисперсией. При L=1 м межмодовая дисперсия удельная.
Материальная удельная дисперсия
Материальная дисперсия τмат - дисперсия собственно материала ОВ, существующая независимо
от типа волокна (ММ или ОМ) и обусловлена зависимостью показателя преломления и,
следовательно, скорости света от длины волны.
Материальная дисперсия определяется через удельную дисперсию
𝜏мат = 𝛥𝜆 ⋅ 𝐿 ⋅ М(𝜆)
где ∆λ- ширина спектральной линии источника излучения, равная 1-3 нм для лазера и 20-40 нм
для светоизлучающего диода; L - длина ОВ, км; М(λ) -удельная материальная дисперсия.
В зависимости от состава легирующих примесей в ОВ М{Х) имеет разные значения. В инженерных
расчетах для определения значений удельной материальной дисперсии используется следующее
выражение:
𝜏мат
𝛥𝜆 𝜆2 𝑑 2 𝑛1
=
⋅ ⋅
𝜆 с 𝑑𝜆2
где с - скорость света, км/с.
Полная удельная дисперсия
Полная материальная дисперсия рассчитывается по формуле:
𝜏мат
𝛥𝜆 𝜆2 𝑑 2 𝑛1
=
⋅ ⋅
⋅ 𝐿.
𝜆 с 𝑑𝜆2
Удельное ослабление в дБ/км
Коэффициент затухания 𝛼 - определяет уменьшение амплитуды электромагнитной волны при
прохождении одного метра пути и измеряется в децибелах на метр (дБ/м), равен действительной
части коэффициента распространения, умноженной на 8,68:
Длина волокна, при котором ослабление составляет заданное число дБ
Используя формулу из предыдущего раздела, можно рассчитать длину волоконно-оптической
линии по заданному параметру ослабления в децибелах:
𝐿=
𝐴
,
𝛼𝜀
где 𝐴 – заданное ослабление.
Величина уширения длительности импульса для рассчитанной длины волокна