Оптоволоконные каналы

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 км. В 2000 году обшая 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. Учитывая, что

df = (cdl)/l², где с — скорость света, f — частота, а l — длина волны.

Для наиболее популярного диапазона l = 1,3m и dl = 0,17m мы имеем df = ~30ТГц.

В 2002 году компанией Zonu 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. Разрабатывается вариант для скоростей передачи 2,5Гбит/c

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. 3.2.1; 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 l ~ 1350 или 1500 нм) вводится в оптоволокно (диаметром d<100m) 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 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. 3.2.2 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. 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 солитонами. При современных 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 линий связи, подвешивая или обвивая их вокруг проводников.

Буквой В помечен одномодовый вид волокна (понятие мода связано с характером распространения электромагнитных волн). 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 сформы 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. Эта разновидность волокна воспринимает меньшую долю света на входе, за то обеспечивает минимальное искажение сигнала и минимальные потери амплитуды. Следует также иметь в виду, что оборудование для работы с одномодовым волокном значительно дороже. Центральная часть одномодового волокна имеет диаметр 3-10 m, а диаметр клэдинга составляет 30-125 m. 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. Число мод n равно для волокна типа А:,

где d – диаметр центральной части (ядра), a – численная апертура волокна, а l – длина волны. Волокно с диаметром центральной части волокна 50 m поддерживает 1000 мод. Для волокна типа Б (рис. 3.2.2) значение n в два раза меньше. Численная апертура А равна , где n₁ (~1,48) и n₂ (~1,46), соответственно, коэффициенты преломления ядра и клэдинга. Величина А определяет ширину входного конуса волокна q (телесный угол захвата входного излучения) q= arcsinA (~3,37⁰).

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. Волокно со сглаженным профилем показателя преломления имеет дисперсию 1 нсек/км и меньше. Это, в частности, связано с тем, что свет в перефирийных областях волокна с большей длиной траектории движется быстрее (там ведь меньше коэффициент преломления). Одномодовый режим реализуется тогда, когда длина волны вета становится сравнимой с диаметром ядра волокна. Длина волны, при которой волокно становится одномодовым, называется пороговой. Волокно с диаметром 50 микрон может поддерживать до 1000 мод. 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.

BW = 0,187/(Disp*SW*L),

где Disp – дисперсия на рабочей длине волны в сек на нм и на км;
SW — ширина спектра источника в нм;M
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.

Потери_диам = 10log₁₀(Диаметр_{волокна}/Диаметр_{источника})²

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

Потери_диам = 10log₁₀(A_{волокна}/A_{источника})²

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_sn²=(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 298 ⁰К 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. R= (nel)/hc, где е – заряд электрона, h – постоянная Планка, с – скорость света l — длина волны, а n — квантовая чувствительность.

Источники излучения инжектируемого в волокно имеют конечную полосу частот. Так светоизлучающие диоды излучают свет с шириной полосы 35 нм, а лазеры 2-3 нм (лазеры имеют, кроме того, более узкую диаграмму направленности, чем диоды).

Поглощение света в волокне происходит по нескольким причинам. Поглощение в собственно стекле волокна падает с частотой, в то время как потери из-за рассеяния на дефектах стекла (релеевское рассеяние) с увеличением частоты растет. При сгибании волокна поглощение увеличивается. По этой причине следует избегать малых радиусов изгиба (кроме всего прочего это может привести и к обрыву). В результате потери света в волокне обычно лежит в диапазоне (2-5) дБ/км для длин волн 0,8 – 1,8 m. Зависимость поглощения света в волокне от длины волны показана на рис. 3.2.3. Используемые диапазоны отмечены на рисунке зеленым цветом. Все эти диапазоны имеют ширину 25000-30000 ГГц.

Из рисунка видно, что минимумы поглощения приходятся на 1300 и ~1500 нм, что и используется для целей телекоммуникаций. При длине волны 1300 нм дисперсия скоростей распространения различных длин волн минимальна. Диапазон ~850 нм характеризуется высоким поглащением, но он привлекателен тем, что как лазеры, так и электроника могут быть изготовлены из одного материала (арсенида галлия). Используемые оптические диапазоны выделены зеленым цветом. Зависимость дисперсии от длины волны показана на рис

Зависимость дисперсии от длины волны

Из рисунка видно, что в области ниже 1300 нм более длинные волны движутся быстрее коротких. Для длин волн >1300нм имеет место обратная ситуация – более длинные волны движутся медленнее коротких. Для одномодовых волокон определяющий вклад в искажения вносится дисперсией скоростей распространения, для многомодовых основной вклад вносит модовая дисперсия. Зависимость полосы пропускания волокна от его длины приведена на рис.

Зависимость полосы пропускания волокна от его длины

Одним из критических мест волоконных систем являются сростки волокон и разъемы. Учитывая диаметр центральной части волокна, нетрудно предположить, к каким последствиям приведет смещение осей стыкуемых волокон даже на несколько микрон (особенно в одномодовом варианте, где диаметр центрального ядра менее 10 микрон) или деформация формы сечения волокон.

Соединители для оптических волокон имеют обычно конструкцию, показанную на рис. 3.2.6, 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.

Схема оптического разъема

С использованием оптических волокон можно создавать не только кольцевые структуры. Возможно построение фрагмента сети, по характеру связей эквивалентного кабельному сегменту или хабу. Схема такого фрагмента сети представлена на рис. 3.2.7 (пассивный хаб-концентратор). Базовым элементом этой субсети является прозрачный цилиндр, на один из торцов которого подключаются выходные волокна всех передатчиков интерфейсов устройств, составляющих субсеть. Сигнал с другого торца через волокна поступает на вход фото приемников интерфейсов. Таким образом, сигнал, переданный одним из интерфейсов, поступает на вход всех остальных интерфейсов, подключенных к этой субсети. При этом потери света составляют 2С + S + 10*log(N), где С — потери в разъеме, S — потери в пассивном разветвителе, а N — число оптических каналов (N может достигать 64). Современные микросхемы приемо-передатчиков (корпус DIP) имеют встроенные разъемы для оптического кабеля (62,5/125мкм или 10/125 мкм). Некоторые из них (например, ODL 200 AT&T) способны осуществлять переключение на обходной оптический путь (bypass) при отключении питания.

Схема пассивного оптоволоконного хаба

В последнее время заметного удешевления оптических каналов удалось достичь за счет мультиплексирования с делением по длине волны. За счет этой техники удалось в 16-160 раз увеличить широколосность канала из расчета на одно волокно. Схема мультиплесирования показана на рис. 3.2.8. На входе канала сигналы с помощью призмы объединяются в одно общее волокно. На выходе с помощью аналогичной призмы эти сигналы разделяются. Число волокон на входе и выходе может достигать 32 и более (вместо призм в последнее время используются миниатюрные зеркала, где применяется 2D-развертка (или 3D)по длине волны). Разработка технологии получения особо чистого материала волокон позволила раширить полосу пропускания одномодового волокна до 100 нм (для волокон с l =1550нм). Полоса одного канала может лежать в диапазоне от 2 до 0,2 нм. Эта технология в самое ближайшее время расширит скорость передачи данных по одному волокну с 1 до 10 Тбит/с.

Мультиплексирование с делением по длине волны в оптическом волокне

В качестве принимающего устройства используются PIN-диоды или лавинные фотодиоды (APD).

На рис. 1. показана зависимость вероятности отказов канала из-за погодных условий (снег – сильный дождь) в Германии на основе 1000 инсталляций (доступность канала и число минут неработоспособности за год). Если требуется 100% эффективность, рекомендуется использовать резервные широкополосные каналы или ISDN.

Зависимость вероятности отказа канала от расстояния в условиях плохой погоды

VCSEL (Vertical Cavity Emitting Laser) – излучающий лазер с вертикальным резонатором. Вышеназванные лазеры (CBL – Мюнстер, ФРГ) относятся к классу 1М (безопасны для глаз).

Семёнов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ), book.itep.ru