Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Оптоволокная передача Литература по данной лекции: Г.Хелд. Технологии передачи данных. Rev /

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 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 Оптоволокно, физ. особенности Широкополосность оптических сигналов, несущая f= Гц. Следовательно в такой среде можно передавать полезный сигнал с частотой Гц, или Тбит/с. Скорость передачи может быть увеличена вдвое за счет того, что по одному волокну можно передавать одновременно в двух направлениях. Скорость можно поднять еще в два раза благодаря использованию волн перпендикулярных друг другу поляризаций. Частотное уплотнение по оптоволоконным линиям связи - передача разных сигналов на разных длинах волн. Очень малое затухание светового сигнала в среде передачи (до 0.15 dB/км, теоретический предел для фторцирконатных волокон 0.02 dB/км). Неподверженность электромагнитным помехам. Химическая стойкость.

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 не по амплитуде, а по фазе (например, с помощью интерферометра Майкельсона). При таком способе передачи информация не может быть перехвачена обычным амплитудным приемников, 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 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 Оптоволоконный кабель

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Оптоволоконный кабель

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Сварка оптоволокон

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Соединительная муфта

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Монтаж оптоволокна, разъемы

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Оптический кросс

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Спектр поглощения Окна прозрачности (все в инфракрасном диапазоне): 0.85мкм, 1.3мкм, 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 1.3мкм Источник: David R. Goff. Fiber Optic Reference Guide

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 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 Применение с сер. 1990х 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. Развивается технология DWDM.

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Скорости передачи в ВОЛС 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. Paris, September 28, Alcatel-Lucent Bell Labs announces new optical transmission record and breaks 100 Petabit (10 17 ) per second*kilometer barrier.

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 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 (800нм) составляет 50нм, то световые импульсы расширяются на 5нс 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 1.3мкм и 1.5мкм (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 микровкраплений. 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 стыках Центровка, параллельность сколов, их качество. 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 1.5мкм, изгиб не сильно критичен, поскольку волокна в кабеле уже предварительно закручены вокруг оси.

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 DWDM, прогресс Кол-во каналов WDM Пропускная способность одного канала Общая пропускная способность кабеля

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Прогресс в опт. каналах (OTN) "Ultrahigh-capacity Digital Coherent Optical Transmission Technology", 2012 Yutaka Miyamoto, Akihide Sano, Eiji Yoshida, and Toshikazu Sakano

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Развитие технологий "Innovative Future Optical Transport Network Technologies", 2012 Toshio Morioka, Masahiko Jinno, Hidehiko Takara, and Hirokazu Kubota

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Предел Shannon'а "Innovative Future Optical Transport Network Technologies", 2012 Toshio Morioka, Masahiko Jinno, Hidehiko Takara, and Hirokazu Kubota

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs SDM и MDM "Innovative Future Optical Transport Network Technologies", 2012 Toshio Morioka, Masahiko Jinno, Hidehiko Takara, and Hirokazu Kubota Space division multiplexing (SDM) and mode division multiplexing (MDM)

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Амплитудно-фазовое кодир-е "Ultrahigh-capacity Digital Coherent Optical Transmission Technology", 2012 Yutaka Miyamoto, Akihide Sano, Eiji Yoshida, and Toshikazu Sakano OOK: on-off-keying DPSK: differential phase-shift keying

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004NETS and OSs Заимствование из радио "Innovative Future Optical Transport Network Technologies", 2012 Toshio Morioka, Masahiko Jinno, Hidehiko Takara, and Hirokazu Kubota Принципы модуляции сигнала для беспроводных технологий мигрируют в передачу данных по оптическим каналам связи