Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs История развития В 1870 году Джон Тиндалл (John Tyndall) продемонстрировал движение светового луча внутри оптически более плотной среды. В 1880 году Александр Грахам Белл (Alexander Graham Bell) создал систему передачи звука по световому лучу (расстояние 200 метров).

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Оптоволокно, тех. особенности Основа оптоволокна - кварц (SiO 2 ), самый распространенный в природе материал, недорогой в отличие от меди. Оптические волокна имеют диаметр менее 100 микрон, имеют малый вес, могут применяться в авиации, приборостроении, кабельной технике. Оптоволокно - гальваническая развязка между контурами, существует возможность встраивать оптоволоконные кабеля в высоковольтные линии (человеку сложно навредить, и для волокна не надо делать подвесов - висит на силовом кабеле). Долговечность (более 25 лет). Возможность наращивать пропускную способность постоянно благодаря смене оконечного оборудования. Сложно "подслушать" передачу неразрушающим среду способом, т.к целостность оптоволокна постоянно контролируется.

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Шифрация передачи по оптике Можно модулировать сигнал по амплитуде по фазе При таком способе передачи информация не может быть перехвачена обычным амплитудным приемником, т.к. он зарегистрирует сигнал постоянной интенсивности. Можно даже специально добавлять шумовой сигнал для ухудшения приема. Восстанавливать исходный сигнал придется также с использованием техники интерферометрии. h ~U

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Недостатки оптики Электроника отстает от оптики по частотам. Оконечное оборудование с электрооптическими и оптоэлектрическими преобразователями очень дорогое. Необходимы оптические соединители с очень малыми потерями (иначе нагрев). Технологически необходимы охладители мощных электрооптических преобразователей (например, лазеров). Для монтажа оптоволоконных линий требуется прецизионное оборудование. Восстановление работоспособности при авариях оптомагистралей обходится намного дороже, чем при авариях на медных и радиорелейных линиях связи.

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Структура оптоволокна Показатель преломления сердцевины больше показателя преломления оболочки (n 1 >n 2 ), только тогда возникает эффект полного внутреннего отражения. Сердцевина, n 1 Оболочка, n 2 Защитное покрытие n1n1 n2n2 Луч поглощается Луч отражается

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Виды волокон Лучи, входящие под разными углами в оптоволокно называются модами, а волокно, поддерживающее несколько мод - многомодовым. По одномодовому волокну распространяется только один луч. а). одномодовое оптоволокно б). многомодовое оптоволокно а). б).

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Показатель преломления Оптическое волокно различается по характеру распределения показателя преломления вдоль диаметра сердцевины. Характерные размеры. Одномодовое: Диаметр сердцевины мкм. Диаметр оболочки мкм. Близость к дифракционному пределу. Многомодовое: Диаметр сердцевины (градиентное оптоволокно) мкм. Диаметр оболочки мкм. Диаметр сердцевины (ступенчатое оптоволокно) мкм. n

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Ход лучей в многомод. волокне Сердцевина ступенчатое оптоволокно градиентное оптоволокно

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Спектр поглощения Окна прозрачности (все в инфракрасном диапазоне): 0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм. В соответствие этим окнам выпускаются и излучатели. На данный момент все скоростные системы оптической передачи работают в одном из трех диапазонов: Затухание (кварц), dB/км LC C-полоса ( нм) L-полоса ( нм) окно прозрачности вблизи 1.3 мкм Источник: David R. Goff. Fiber Optic Reference Guide

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Дисперсия Модовая дисперсия: лучи, одновременно вошедшие в оптоволокно, выйдут из него в разное время в зависимости от угла входа. Это явление характерно для многомодовых волокон, оно сильно понижает максимальную дальность передачи сигнала. Например, для 100Мбитной сети при использовании многомодовых оптических волокон максимальная длина сегмента составляет 2 км. Материальная дисперсия обусловлена тем, что лучи света разных длин волн распространяются с разной скоростью, а, следовательно, размывают фронты импульсов. Это явление необходимо учитывать для одномодовых волокон. расширение импульсов в оптоволокне I, n V( )=c/n( )

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Полоса пропускания Материальная дисперсия ограничивает полосу пропускания, которая измеряется в МГц/км (ГГц/км, ТГц/км). Пример. Если ширина спектра излучения светодиода со свечением в ближнем инфракрасном диапазоне (800 нм) составляет 50 нм, то световые импульсы расширяются на 5 нс при прохождении каждого километра, следовательно, сквозь такую километровую линию можно пропустить сигнал с максимальной частотой примерно 100МГц, а полоса пропускания кабеля будет 100МГц/км. К счастью, длины волн 1.3 мкм и 1.5 мкм (минимумы по поглощению для волокон некоторых типов) являются также точками минимальной материальной дисперсии. Подбор состава и легирование оптических волокон позволяют выровнять зависимость n( ) в небольшом диапазоне длин волн. n n

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Затухание Рассеяние энергии происходит из-за микроскопических неоднородностей в волокне. Поглощение - преобразование энергии света в тепловую из-за микро вкраплений. Современные технологии позволяют создать такие среды, в которых поглощение на 6 метрах длины оказывается меньше, чем в обычном оконном стекле толщиной 3 мм. Потери на изгибах Выход излучения за пределы сердцевины и поглощение в оболочке. Для оптических кабелей, на основе одномодовых волокон, работающих на длинах волн 1.3 и 1.5 мкм, изгиб не сильно критичен, поскольку волокна в кабеле уже предварительно закручены вокруг оси. Потери на стыках

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Монтаж оптоволокна, разъемы В России при монтаже волоконно-оптических сетей используют следующие виды разъемов. ST FC SC LC ST: дешевый, самый распространенный (используется обычно на 10 Мбит) SC: также достаточно популярный FC: с винтовой резьбой, похож на ST LC: миниатюрен, более удобен в коммутационном оборудовании, но дорогой

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Монтаж оптоволокна Сплайсы - коробочки с автоматическим центрированием жил без клея (до 0.1dB), нужен качественный перпендикулярный скол. Либо во втулку наливают гель - он и герметик, и обеспечивает оптический контакт. Сварка dB Материал, способ соединения Время установки Стоимость комплекта инструментов (2000 г.) Стоимость конструкции клей 5-20 мин $3-12$ иммерсионные разъемы (гель) 2-3 мин $8-15$ мех. сплайс 1-3 мин.1000$7-20$ сварка 1-2 мин $10-20$ Последовательность операций при оконцовывании оптоволокна: снятие изоляции, удаление грязи, протирка, защита оптоволокна кембриком, нанесение двухкомпонентного клея, продевание оптоволокна сквозь разъем, скол оптоволокна, шлифовка скола (контроль с помощью микроскопа).

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Поколения ВОЛС Поколения передачи и приема оптической информации: г. - диод, работающий на длине волны 0.85 мкм, многомодовое оптоволокно, AlGaAs/GaAs светодиодный или лазерный передатчик, кремниевый детектор г. - одномодовые передатчики, работающие на длине волны 1.3 мкм г. - диодные лазеры 1.55 мкм, одномодовое волокно со смещенной дисперсией. 4. Когерентные системы связи, частотная или фазовая модуляция - большая дальность передачи. Безрегенераторная когерентная ВОЛС STM-16 на скорость передачи Гбит/с протяженностью в 300 км. В лабораториях NTT в 1990 году ученые впервые создали систему связи с применением оптических усилителей на скорость 2.5 Гбит/с на расстояние 2223 км.

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Поколения ВОЛС 5. Положение дел сейчас: Применение с сер х годов оптических усилителей на основе световодов, легированных эрбием, усиление до 30 dB. В эксплуатации трансатлантические линии связи США-Европа ТАТ-8 и ТАТ-9, Тихоокеанская линия США-Гавайские острова-Япония ТРС-3. ВОЛС прокладываются по побережьям всех континентов. Специалистам компании Alcatel удалось передать данные по подводному оптоволоконному кабелю на расстояние свыше 320 км со скоростью 1,6 Тбит/c без применения повторителей. Flag-Atlantic (FA-1) г Тбит/сек. Развивается технология DWDM. 6. В последние годы наряду с когерентными системами связи развивается альтернативное направление: солитоновые системы связи. Солитон - это световой 10 пс импульс с необычными свойствами: он сохраняет свою форму и теоретически может распространяться по "идеальному" световоду бесконечно далеко. Солитоновые системы, в которых отдельный бит информации кодируется наличием или отсутствием солитона, могут иметь пропускную способность не менее 5 Гбит/с на расстоянии км.

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Стоимость ВОЛС Прокладка 1 км. оптоволоконного кабеля под водой $. Прокладка 1 км. кабеля под землей $ (2000 год, Россия). Стоимость сооружения ВОЛС в расчете на 1 Мбит/сек: 1998 год $ за 1Мбит/сек год $ в FA-1 за 1Мбит/сек. Соответственно, тарифы на трафик должны постоянно уменьшаться.

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing (спектральное уплотнение с мультиплексирование по длине волны) лазер накачки Мульти- плексор DWDM Демульти- плексор DWDM 1 2 n 1 2 n... оптоволокно Усилитель на волокне, легированном эрбием

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs WDM демультиплексор 1 2 n... Оптический демультиплексор работает по принципу спектрометра (фильтра определенных частот). дифракционная решетка или другой спектральный элемент суммарный оптический сигнал

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Оптоволокно Литература shtml Г.Хелд. Технологии передачи данных. Rev /

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs DWDM, прогресс Кол-во каналов WDM Пропускная способность одного канала Общая пропускная способность кабеля