Главная Обратная связь

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






Общие принципы построения волоконно-оптических систем передачи



 

Краткий исторический очерк

Основным направлением развития телекоммуникационных сис­тем является широкое применение волоконно-оптических систем передачи (ВОСП), под которыми понимается совокупность актив­ных и пассивных устройств, предназначенных для передачи со­общений на расстояния по оптическим волокнам (ОВ) с помощью оптических волн и сигналов. Другими словами, ВОСП - это сово­купность оптических устройств и оптических линий передачи, обеспечивающая формирование, обработку и передачу оптиче­ских сигналов. Физической средой распространения оптических сигналов являются волоконно-оптические или, просто, оптические кабели и создаваемые на их основе волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Совокупность ВОСП и ВОЛС образует волоконно-оптическую линию передачи (ВОЛП). Без широкого использования ВОЛС невозможно развитие телекоммуникационных технологий в области телефонной и телеграфной связи, кабельного телевиде­ния и факсимильной связи, передачи данных, создания единой цифровой сети с интеграцией служб - СЦИО (Integrated Services Digital Network - ISDN), внедрения на телекоммуникационных сетях технологии асинхронного способа передачи (Asynchronous Transfer Mode - ATM) и построения транспортных сетей на основе синхрон­ной цифровой иерархии - СЦИ (Synchronous Digital Hierarchy -SDH). Область применения ВОСП не ограничивается передачей любых видов сообщений практически на любые расстояния с наи­высшими скоростями, а имеет более широкий спектр, от бортовых систем (самолетов, кораблей и др.) до локальных и глобальных волоконно- оптических телекоммуникационных сетей. Внедрение

таких систем предопределяет развитие не только классических телекоммуникационных систем и сетей, но и радиоэлектроники, атомной энергетики, космоса, машиностроения, судостроения и т. д.

В ВОСП передача сообщений осуществляется посредством световых волн от 0,1 мкм до 1 мм. Диапазоны длин волн (или частот), в пределах которых обеспечиваются наилучшие условия распространения световых волн по оптическому волокну, называ­ются его окнами прозрачности.

В настоящее время для построения ВОСП используются длины волн от 0,8 мкм до 1,65 мкм (в дальнейшем предполагается освое­ние и более длинных волн - 2,4 и 2,6 мкм), называемые инфракрас­ным излучением (просто светом) или оптическим излучением (ОИ).

Для увеличения дальности передачи за счет наилучшего рас­пространения световой волны были исследованы различные опти­ческие волноводы, называемые оптическими волокнами (ОВ) или световодами, под которыми понимаются направляющие каналы для передачи оптического излучения, состоящие из сердцевины, окруженной оболочкой (оболочками). ОВ в сочетании с оптоэлектронными технологиями (генерация оптического излучения, его усиление, прием, обработка оптических сигналов и др.) дали разви­тие современному направлению техники, носящему название воло­конной оптики - раздела оптики, рассматривающего передачу излучения по волоконным световодам - оптическим волокнам.



Световые сигналы издавна использовались для передачи сооб­щений, но первая попытка использовать их для передачи речевых сигналов, была осуществлена в 1882 г. американским изобретате­лем А. Г. Беллом. «В одном из заседаний американского общества ученых Белл демонстрировал новый прибор, который он назвал фотофоном, на том основании, что аппарат этот служил для пере­дачи звуков при помощи светового луча, причем нет надобности оба корреспондирующие пункта соединять проволокою, как при дейст­вии телефонами, а необходимо одно только условие, чтобы луч света из передающего пункта мог беспрепятственно достигнуть принимающей стороны».

Однако из-за успешного развития в конце XIX века воздушных и кабельных линий связи, изобретения радио А. С. Поповым, опти­ческие способы передачи сообщений были надолго забыты.

Современная эра оптической связи началась с изобретения в 1958 г. и последовавшим вскоре созданием первых лазеров (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - LASER) и создания

на их основе оптических квантовых генераторов (ОКГ) в 1961 г. По сравнению с обычными источниками оптического излучения лазер­ное излучение обладает высокой монохроматичностью и когерент­ностью и имеет очень большую интенсивность и поэтому было совершенно естественно использовать его в качестве несущего колебания в системах передачи. Лазерное излучение открывало возможность получения исключительно широкой полосы пропуска­ния при условии осуществления его модуляции в полосе частот, составляющей всего несколько процентов от основной частоты излучения лазера. В самом деле, лазерная система передачи на гелий-неоновом лазере (длина волны в свободном пространстве Л = 0,63 мкм, частота f = 4,7-1014 Гц) имеет полосу пропускания 4700 ГГц (1% от основной частоты), в которой можно разместить одновременно около миллиона телевизионных каналов.



В 1960-е годы было предложено много технических решений по осуществлению различных видов модуляции лазерного излучения (частотная, фазовая, амплитудная, по интенсивности и поляриза­ции, импульсной), а также был создан ряд лазерных систем пере­дачи, использующих распространение света в свободном пространстве, называемых открытыми системами связи.

Открытые системы связи из-за ряда своих недостатков (высокая требуемая точность наведения антенн передатчика и приемника, низкий КПД оптических излучателей, высокий уровень шумов в приемнике, влияние характеристик атмосферы на надежность связи) не нашли широкого применения для использования в теле­коммуникационных сетях и системах общего пользования.

В это же время широко проводились эксперименты по созданию направляющих систем, в которых лазерный пучок вводился в канал передачи с помощью линз, располагаемых друг от друга на рас­стоянии 10 или 100 м. Дальнейшие исследования и разработки в этом направлении привели к идеи использования длинных оптиче­ских волокон (ОВ), подобных тем, которые использовались в эндо­скопии и других областях, и были заложены основы волоконно-оптической связи.

Основной причиной, сдерживавшей практическую реализацию этой идеи, было большое затухание сигнала в таком ОВ, доходив­шее до 1000 дБ/км. Если бы удалось уменьшить затухание в стекле в инфракрасной области спектра до 20 дБ/км, то стало бы возмож­ным создание практических волоконно-оптических систем передачи. Работы в этом направлении привели к тому, что в 1975 г. в лабораторных условиях были получены ОВ с затуханием до 2 дБ/км и в 1979 г. были достигнуты потери порядка 0,2 дБ/км.

К 1980 г. во многих странах выпускали ОВ с потерями менее Ю дБ/км и были созданы надежные полупроводниковые источники оптического излучения и фотодетекторы (приемники оптического излучения) и стали проводиться всесторонние испытания волокон­но-оптических линий связи (ВОЛС), включаемых в обычные телефонные сети. Наступила эра волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) и, соответствующих им, телекоммуникационных, оптоэлектронных и компьютерных технологий.

Ниже перечисленные достоинства ВОЛС обеспечили их быстрое и широкое применение:

1. Возможность получения ОВ с параметрами, обеспечивающи­ми расстояние между ретрансляторами не менее 100... 150 км.

2. Производство оптических кабелей (ОК) с малыми габаритны­ми размерами и массой при высокой информационной пропускной способности.

3. Постоянное и непрерывное снижение стоимости производства оп­тических кабелей и совершенствование технологии их производства.

4. Высокая защищенность от внешних электромагнитных воздей­ствий и переходных помех.

5. Высокая скрытность связи (утечка информации): ответвление сигнала возможно только при непосредственном подсоединении к отдельному волокну.

6. Гибкость в реализации требуемой полосы пропускания: ОВ различных типов позволяют заменить электрические кабели в цифровых системах передачи всех уровней иерархии.

7. Возможность постоянного совершенствования ВОСП по мере появления новых источников оптического излучения, оптических волокон, фотоприемников и усилителей оптического излучения с улучшенными характеристиками или при повышении требований к их характеристикам при полном сохранении совместимости с другими системами передачи.

8. Соответствующим образом спроектированные ВОЛС относи­тельно невосприимчивы к неблагоприятным температурным усло­виям и влажности и могут быть использованы для подводных кабелей.

9. Надежная техника безопасности (безвредность во взрыво­опасных средах, отсутствие искрения и короткого замыкания), воз­можность обеспечения полной электрической изоляции.

Завершено создание Транссибирской оптической линии (ТСЛ) протяженностью около 17 000 км, проходящей по всей территории России, которая свяжет Восток и Запад страны со странами Европы, Азии и Америки. Входя в мировую транснациональную сеть связи, ТСЛ замыкает глобальное волоконно-оптическое кольцо цифровой связи, которое охватывает четыре континента - Европу, Азию, Америку, Австралию и три океана - Атлантический, Тихий и Индий­ский. Действуют подводные оптические магистрали между США и Европой через Атлантический океан, Австралия - Новая Зеландия -Гавайи - Северная Америка протяженностью 16 000 км.

К концу XX века завершена прокладка трансатлантической ВОЛС протяженностью около 6000 км без ретрансляторов между Амери­кой и Европой. Эта линия сооружена на волокне из тетрафторида циркония, имеющего на длине волны 2,5 мкм затухание 0,01 дБ/км, или из фторида бериллия с затуханием 0,005 дБ/км на длине волны 2,1 мкм.

В настоящее время на многих ВОЛС общего пользования ис­пользуются скорости передачи до 622 Мбит/с, но все большее применение получают ВОСП на скорости передачи 2,5 Гбит/с и выше. По таким ВОЛС можно организовать от 7680 до 100 000 каналов тональной частоты (КТЧ) или основных цифровых каналов (ОЦК) с пропускной способностью 64 кбит/с. В настоящее время разработаны ВОСП на скорости передачи до 40 Гбит/с.

Эти возможности не являются предельными: спектральное уп­лотнение (СУ) и когерентный прием позволят на несколько порядков увеличить суммарную скорость передачи информации по ВОЛС. Если обратиться к третьему окну прозрачности ОВ шириной 140 мкм на длине волны 1,55 мкм, то в нем можно разместить до 630 спектральных каналов (СК) при разносе частот между ними 24 ГГц и скорости передачи 2,4 Гбит/с в каждом. Это соответствует при­мерно суммарной скорости 1,5 Тбит/с или 23 млн КТЧ или ОЦК.

Для описания параметров оптических кабелей и компонент ВОСП используется как частота, так и длина волны оптического излучения. Поэтому полезно знать соотношения между этими пере­менными, что особенно важно при описании полос пропускания в терминах отклонений длины волны или частоты.

Связь между длиной волны и частотой оптического сигнала оп­ределяются соотношением

(1)

где -длина волны оптического излучения в среде распространения; f - частота сигнала; с -скорость света в среде распространения.

Скорость света при распространении его через оптически про­зрачный материал, в свою очередь, связана с его показателем преломления, следующим образом:

(2)

здесь с0 - скорость света, равная 300 000 000 м /с; - показатель преломления среды распространения оптического сигнала.

Очевидно, что длина волны оптического сигнала изменяется с изменением показателя преломления среды

(3)

где - называется длиной волны в свободном пространстве, т.е. длиной волны, которая будет измерена в вакууме.

Очень часто особое значение приобретает разница между дли­нами волн или разница частот . Важно знать, как можно пре­образовать эти две переменные, как они между собой связаны

(4)

или

. (5)

Эти уравнения весьма полезны, так как часто возникает необхо­димость преобразования данных параметров из одних единиц измерения в другие. Так, например, в полосе пропускания ВОСП с центральной длиной волны = 1,3 мкм ширина полосы излучения равна 0,0001 мкм, а ширина полосы частот излучения будет равна = 40 ГГц.


Эта страница нарушает авторские права

allrefrs.ru - 2019 год. Все права принадлежат их авторам!