Оптоволоконные каналы и беспроводные оптические связи

А.Г.Белл в 1880 году запатентовал фотофон - прибор для передачи голоса посредством светового сигнала с селеновым фотодетектором. Первые коммерческие телефонные системы были созданы лишь в 1977 году и работали со скоростью 44,7 Мбит/с. Одномодовые волоконные кабели начали производиться в 1983 году. В 1990 году Линн Моллинер (Bellcore) продемонстрировал передачу данных со скоростью 2,5Гбит/c на расстояние 7500 км (без промежуточных усилителей сигнала) В 1990 году в США суммарная протяженность оптических волокон составляла около 9000000 кмВ 2000 году общая длина оптоволокон только в США превысила 30 миллионов километров. Оптоволоконные линии связи работают в частотном диапазоне 1013 - 1016Гц, что на 6 порядков больше, чем в случае радиочастотных каналов (это обеспечивает пропускную способность 50000 Гбит/c). Но земная атмосфера является плохой средой для распространения света. По этой причине только разработка кремниевых волокон с низким коэффициентом поглощения в инфракрасном диапазоне (< 0,2 дБ/км) сделало возможным широкое распространение оптических каналов связи. Укладывается ~1000км оптоволоконного кабеля в день. В настоящее время каналы обычно имеют пропускную способность ~1Гбит/c и это связано с ограниченным быстродействием оборудования, преобразующего оптический сигнал в электрический и обратно. В ближайшие годы следует ожидать увеличения быстродействия таких устройств в 100-1000 раз. Оптоволоконное соединение гарантирует минимум шумов и высокую безопасность (практически почти невозможно сделать отвод). Пластиковые волокна применимы при длинах соединений не более 100 метров и при ограниченном быстродействии (<50 МГц). В последнее время (2006-7г) разработаны пластиковые волокна, пригодные для передачи со скоростью 40 Гбит/c при длине кабеля 30м и со скоростью 5,35 Гбит/c при длине кабеля 220м (Lightware N4 2007). Вероятность ошибки при передаче по оптическому волокну составляет <10-10, что во многих случаях делает ненужным контроль целостности сообщений. При построении сетей используются многожильные кабели (рис.3.; существуют и другие разновидности кабеля: например, двух- или четырехжильные, а также плоские). В верхней части рисунка [А] изображено отдельное оптоволокно, а в нижней [Б] сечение восьмижильного оптического кабеля. Свет вводится в оптоволокно с помощью светоизлучающего диода или полупроводникового лазера. Центральное волокно покрывается слоем, коэффициент преломления которого меньше чем у центрального ядра (стрелками условно показан ход лучей света в волокне). Для обеспечения механической прочности извне волокно покрывается полимерным слоем. Кабель может содержать много волокон, например 8 (1Б). В центре кабеля помещается стальной трос (3Б), который используется при прокладке кабеля. С внешней стороны кабель защищается (от крыс) стальной оплеткой (2Б) и герметизируется эластичным полимерным покрытием.

Существует несколько типов оптических волокон, обладающих различными свойствами. Они отличаются друг от друга зависимостью коэффициента преломления от радиуса центрального волокна. На рис. 4 показаны три разновидности волокна (А, Б и В). Буквами А и Б помечен мультимодовый вид волокон. Тип Б имеет меньшую дисперсию времени распространения и по этой причине вносит меньшие искажения формы сигнала. По сравнению с медными проводами оптоволоконные кабели несравненно легче. Так одна тысяча скрученных пар при длине 1 км весит 8 тонн, а два волокна той же длины, обладающие большей пропускной способностью, имеют вес 100кг. Это обстоятельство открывает возможность укладки оптических кабелей вдоль высоковольтных линий связи, подвешивая или обвивая их вокруг проводников.

Буквой В помечен одномодовый вид волокна (понятие мода связано с характером распространения электромагнитных волн). В упрощенном виде можно считать, что мода - это одна из возможных траекторий, по которой может распространяться свет в волокне.

Чем больше мод, тем больше дисперсионное искажение формы сигнала. Одномодовое волокно позволяет получить полосу пропускания в диапазоне 50-100 ГГц-км. Соединители для оптических волокон имеют обычно конструкцию, показанную на рис. 5, и изготовляются из керамики. Потеря света в соединителе составляет 10-20%. Для сравнения сварка волокон приводит к потерям не более 1-2%. Существует также техника механического сращивания волокон, которая характеризуется потерями около 10% (splice). Оптические аттенюаторы для оптимального согласования динамического диапазона оптического сигнала и интервала чувствительности входного устройства представляют собой тонкие металлические шайбы, которые увеличивают зазор между волокном кабеля и приемником.

Если длина волокна должна быть велика из-за расстояния, которое нужно перекрыть, а потребителей по дороге нет, приходится ставить промежуточные усилители сигнала (см. рис. 6, присутствие ЭВМ необязательно).

Беспроводные оптические каналы

Для стационарных каналов оптоволоконный кабель не имеет конкурентов. Но при формировании каналов в городе, где требуется лицензия на прокладку и разрешение для использования канализации, все становится не так просто. При расстояниях до 1-5 км во многих случаях становятся привлекательны каналы с открытым лазерным лучом. Ниже приведена таблица, где сравниваются параметры различных беспроводных систем. Беспроводные телекоммуникационные системы

Принципиально новые возможности открыло изобретение инфракрасных лазеров. Лазер генерирует слабо расходящийся в воздухе пучок света (диаметр порядка 1 мм). Это позволяет осуществлять передачу открытым лучом на относительно большое расстояние (до 10 км). Но это же свойство луча создает и определенные проблемы. В атмосфере от горячих предметов поднимаются вверх конвекционные потоки горячего воздуха, варьирующие коэффициент преломления. Многие наблюдали это явление над шоссе жарким летним днем, когда идущая впереди машина как бы отрывается от земли и парит в колышущемся мареве. Это же явление лежит в основе появления миражей. Следует также учитывать, что солнце создает поток излучения в инфракрасной области не меньше, чем в видимой области. Оптические каналы предполагают использование двух параллельных лучей, по одному для каждого направления передачи, смотри рис. 7. Диаметр чувствительной поверхности детектора обычно не превышает 1 мм.

Чтобы исключить влияние конвективных воздушных потоков от разогретой поверхности крыши обычно используют дефокусировку пучка, чтобы даже при отклонении оси пучка пятно засветки не покидало чувствительную область детектора. Этот метод предполагает, что имеется избыток световой мощности передающего лазера. По этой причине, а также из-за поглощения луча дождем и туманом, каналы связи с открытым лазерным пучком широкого применения не находят. Но иногда из-за отсутствия нужных кабельных каналов, или из-за возражений телефонных компаний, открытый луч может оказаться полезным для организации связи между не слишком удаленными зданиями. Открытый луч предоставляет достаточно высокий уровень безопасности, так как для перехвата сообщений нужно “дотянуться” до пучка. Да и обнаружить инфракрасный луч без специальных средств не так легко. Главным преимуществом варианта с открытым лазерным лучом является отсутствие необходимости лицензирования или получения специальных разрешений для прокладки кабеля, в условиях РФ этим обстоятельством не следует пренебрегать. Но земная атмосфера является плохой средой для распространения света. По этой причине только разработка кремниевых волокон с низким коэффициентом поглощения в инфракрасном диапазоне (< 0,2 дБ/км) сделало возможным широкое распространение оптоволоконных каналов связи. Укладывается ~1000км оптоволоконного кабеля в день. В настоящее время каналы обычно имеют пропускную способность ~1-100 Гбит/c. В ближайшие годы следует ожидать увеличения быстродействия таких устройств в 10-100 раз. Рассматривая параметры оптоволоконных каналов и радиорелейных линий нужно помнить, что последние имеют задержку 3мксек/км, а оптоволоконные - 5мксек/км, что иногда оказывается существенным (в воздухе электромагнитные волны распространяются быстрее, чем в кварце).Сопоставляя возможности спутниковых каналов с оптоволоконными, следует учитывать, что одна волоконная пара обладает пропускной способностью больше, чем все запущенные до сих пор телекоммуникационные спутники.