Оптические каналы связи

А.Г. Белл в 1880 году запатентовал фотофон – прибор для передачи голоса посредством светового сигнала с селеновым фотодетектором. Основы оптоволоконики были заложены в 1966 году (Као и Хокэм). Первые коммерческие телефонные оптоволоконные системы были созданы лишь в 1977 году. Одномодовые волоконные кабели начали производиться в 1983 году.

В 1990 году Линн Моллинер (Bellcore) продемонстрировал передачу данных со скоростью 2,5 Гбит/c на расстояние 7500 км (без промежуточных усилителей сигнала).

В 2000 году суммарная длина оптических волокон только в США превысила 30 миллионов километров.

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). 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. 9.1; существуют и другие разновидности кабеля: например, двух- или четырехжильные, а также плоские). В верхней части рисунка [ A ] изображено отдельное оптоволокно, а в нижней [ Б ] — сечение восьмижильного оптического кабеля. Свет (длина волны ~ 1350 или 1500 нм) вводится в оптоволокно (диаметром ) с помощью светоизлучающего диода или полупроводникового лазера. Центральное волокно покрывается слоем ( клэдинг, 1А), 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 ( 2А ). Кабель может содержать много волокон, например, 8 ( 1Б ). В центре кабеля помещается стальной трос ( 3Б ), который используется при прокладке кабеля. С внешней стороны кабель защищен (от крыс!) стальной оплеткой ( 2Б ) и герметизирован эластичным полимерным покрытием.

Рис. 9.1. Сечение оптоволоконного кабеля

Существует несколько типов оптических волокон, обладающих различными свойствами. Они отличаются друг от друга зависимостью коэффициента преломления от радиуса центральной части волокна. На рис. 9.2 показаны три разновидности волокна (А, Б и В; для коэффициентов преломления всегда должно быть ). Буквами А и Б помечен мультимодовый вид волокон. Тип Б имеет меньшую дисперсию времени распространения и по этой причине вносит меньшие искажения в форму передаваемого сигнала. Установлено, что, придавая световым импульсам определенную форму (обратный гиперболический косинус), дисперсионные эффекты можно полностью исключить. При этом появляется возможность передавать импульсы на расстояние в тысячи километров без искажения их формы. Такие импульсы называются солетонами. При традиционных же технологиях необходимо использовать повторители через каждые 30 км (против 5 км для медных проводов). 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 силовых линий передачи, подвешивая или обвивая их вокруг проводников.

Рис. 9.2. Разновидности оптических волокон, отличающиеся зависимостью коэффициента преломления от радиуса

Буквой В помечен одномодовый вид волокна (понятие мода связано с характером распространения электромагнитных волн). Одномодовая разновидность волокна воспринимает меньшую долю света на входе, зато обеспечивает минимальное искажение сигнала. Следует иметь в виду, что оборудование для работы с одномодовым волокном значительно дороже. Центральная часть одномодового волокна имеет диаметр , а диаметр клэдинга составляет . Число мод, допускаемых волокном, в известной мере определяет его информационную емкость. Модовая дисперсия приводит к расплыванию импульсов и их "наезжанию" друг на друга. Дисперсия зависит от диаметра центральной части волокна и длины волны света.

Волокно со сглаженным профилем показателя преломления имеет дисперсию 1нсек/км и меньше. Это, в частности, связано с тем, что свет в периферийных областях волокна с большей длиной траектории движется быстрее (там меньший коэффициент преломления). Число мод N равно для волокна типа А:

где – диаметр центральной части (ядра), – численная апертура волокна, а – длина волны. Волокно с диаметром центральной части волокна поддерживает 1000 мод. Для волокна типа Б (рис. 3.2) значение в два раза меньше. Численная апертура равна , где и — соответственно коэффициенты преломления ядра и клэдинга. Величина определяет ширину входного конуса волокна (телесный угол захвата входного излучения) .

Для оптических каналов передачи данных вероятность ошибки (BER) находится на уровне 10^-9-10^-10.

Мода представляет собой одно из возможных решений уравнения Максвелла. 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. Типовое значение модовой дисперсии лежит в пределах от 15 до 30 нсек/км.

Одномодовый режим реализуется тогда, когда длина волны света становится сравнимой с диаметром ядра волокна. Длина волны, при которой волокно становится одномодовым, называется пороговой.

В отличие от многомодового волокна, в одномодовом — излучение присутствует не только внутри ядра. По этой причине повышаются требования к оптическим свойствам клэдинга . Для многомодового волокна требования к прозрачности клэдинга весьма умеренны.

Затуханием обычно называется ослабление сигнала по мере его движения по волокну. Оно измеряется в децибелах на километр и варьируется от 300 дБ/км для пластиковых волокон до 0,21 дБ/км – для одномодовых волокон.

Полоса пропускания волокна определяется дисперсией. Приближенно полосу пропускания одномодового волокна можно оценить согласно формуле

• Disp – дисперсия на рабочей длине волны в сек на нм и на км;
• SW – ширина спектра источника в нм;
• L – длина волокна в км.

Если диаметр источника света не соответствует диаметру ядра волокна, то потери света, связанные с геометрическим рассогласованием могут быть охарактеризованы следующей формулой:

Потерь нет, когда волокно имеет диаметр больше диаметра источника света. Если числовая апертура источника больше апертуры волокна, то потери света составят:

Помимо дисперсии, быстродействие оптического канала ограничивается шумами. Шумы имеют две составляющие: дробовой и тепловой шум. Дробовой шум определяется соотношением:

i_sn²=2eiB

где е – заряд электрона, i – средний ток, протекающий через приемник, и В – ширина полосы пропускания приемника. Типовое значение дробового шума составляет 25 нА при температуре 25 градусов Цельсия. Тепловой шум характеризуется соотношением:

i_tn²=(4kTB)/R_L

где k – постоянная Больцмана, Т – температура по шкале Кельвина, В – ширина полосы пропускания приемника, R_L — сопротивление нагрузки. При полосе в 10 МГц и температуре 298⁰К эта составляющая шума равна 18 нА. Одной из составляющих теплового шума является темновой ток, который возрастает на 10% при росте температуры на 1 градус.

Чувствительность приемника задается квантовой эффективностью, которая характеризует отношение числа первичных электронно-дырочных пар к числу падающих на детектор фотонов. Этот параметр часто выражается в процентах (реже в амперах на люмен). Так, если на каждые 100 фотонов приходится 60 пар электрон-дырка, то квантовая эффективность равна 60%. Чувствительность фотодетектора R может быть вычислена на основе квантовой чувствительности:

где – заряд электрона, – постоянная Планка, – скорость света, – длина волны, а - квантовая чувствительность.

В 2002 году компанией Zonu (http://www.zonu.com) разработан фототрансивер (GBIC) на 1,25Гбит/c для передачи и приема данных по одному и тому же волокну при длине волны 1310 нм.

Для одномодового волокна расстояние передачи может составлять до 10 км. При длине волны 1550 нм достижимо расстояние передачи в 40 км.

Очевидно, что чем больше длина волны, тем меньше число мод и меньше искажения сигнала. Это, в частности, является причиной работы в длинноволновом инфракрасном диапазоне. Но даже для одной и той же моды различные длины волн распространяются по волокну с разной скоростью. Одномодовое волокно позволяет получить полосу пропускания в диапазоне 50-100 ГГц на км. Источники излучения, инжектируемого в волокно, имеют конечную полосу частот. Так, светоизлучающие диоды испускают свет с шириной полосы 35 нм, а лазеры 2-3 нм (лазеры имеют, кроме того, более узкую диаграмму направленности, чем диоды). Характеристики светодиодов и инжекционных лазерных диодов приведены в таблице 9.1. Лазерные диоды, рассчитанные на работу с длинными кабелями при высоком быстродействии, стоят достаточно дорого.

Время нарастания сигнала фотодиода ограничивает быстродействие системы. Немалую роль играет и уровень шумов на входе приемника. При этом световой импульс должен нести достаточно энергии (заметно больше уровня шума), чтобы обеспечить низкий уровень ошибок. В таблице 9.2 приведены характеристики оптических приемников.