Волоконно-оптичні лінії зв’язку

Кабельні лінії

Кабельні лінії представляють доволі складну конструкцію. Кабель складається з провідників відповідних сигналів (пар дротів, світловодів) заточених у декілька шарів ізоляції: електричної, електромагнітної, світлової, механічної, а також, можливо, кліматичної. Крім того, кабель може бути оснащений з’єднувачами, які дозволяють швидко виконувати під’єднання до нього різного обладнання. У інформаційних мережах використовуються три основних типи кабелю: кабелі на основі скручених пар мідних провідників, коаксіальні кабелі із мідним дротом, а також волоконно-оптичні кабелі.

Скручена пара дротів називається звитою парою (twisted pair). Звита пара існує в екранованому варіанті (Shielded Twisted pair, STP), коли пара мідних дротів загортається в ізоляційний екран, і неекранованому (Unshielded Twisted pair, UTP), коли ізоляційна обгортка відсутня. Скручування дротів знижує вплив зовнішніх завад на корисні сигнали, передані по кабелю. Коаксіальний кабель (coaxial) має несиметричну конструкцію і складається з внутрішньої мідної жили і оплітки, відокремленої від жили шаром ізоляції. Існує декілька типів коаксіального кабелю, відмінних характеристиками і областями застосування - для локальних мереж, для телекомунікаційних мереж, для кабельного телебачення і т.п. Волоконно-оптичний кабель (optical fiber) складається з тонких (5-60 мікрон) волокон, по яких розповсюджуються світлові сигнали. Це найякісніший тип кабелю - він забезпечує передачу даних з дуже високою швидкістю (до 10 Гбіт/с і вище) і до того ж краще за інші типи передаючого середовища забезпечує захист даних від зовнішніх завад.

У інформаційних мережах застосовуються кабелі, які задовольняють визначеним стандартам, що дозволяє будувати кабельну систему мережі з кабелів та з’єднувальних пристроїв різних виробників.

Серед кабельних ліній зв’язку найкращі показники мають світловоди. На них сьогодні будуються як магістралі крупних територіальних мереж, так і високошвидкісні лінії зв’язку локальних мереж. Волоконно-оптичні лінії зв’язку (ВОЛЗ) мають ряд істотних переваг у порівнянні з лініями зв’язку на основі металевих кабелів.

Їхніми основними перевагами є: велика пропускна спроможність, мале загасання, малі маса і габарити, надійна техніка безпеки, мала вартість через відсутність у конструкції кольорових металів, висока завадозахищеність, обумовлена нечутливістю до зовнішніх електромагнітних полів і відсутністю власних електромагнітних випромінювань, низька трудомісткість прокладки оптичного кабелю; іскро-, вибухо- і пожежобезпека; підвищена стійкість до агресивних середовищ; невелика питома маса (відношення погонної маси до смуги пропускання); широкі області застосування (створення магістралей колективного доступу, систем зв’язку ЕОМ з периферійними пристроями локальних мереж, у мікропроцесорній техніці і т.д.).

Недоліками ВОЛЗ є: передача сигналів здійснюється тільки в одному напрямку; підключення до світловоду додаткових споживачів значно послабляє сигнал; необхідні для світловодів високошвидкісні модеми поки ще є дорогими; світловоди, що з’єднують ЕОМ, повинні забезпечуватися перетворювачами електричних сигналів у світлові і назад.

У ВОЛЗ застосовують електромагнітні хвилі оптичного діапазону. Нагадаємо, що видиме оптичне випромінювання лежить у діапазоні довжин хвиль 380...760 нм. Практичне застосування у ВОЛЗ одержав інфрачервоний діапазон, тобто випромінювання з довжиною хвилі більш 760 нм.

Принцип поширення оптичного випромінювання уздовж оптичного волокна (ОВ) заснований на відбиванні світлового проміню від границі середовищ з різними показниками переломлення (рис. 4). Оптичне волокно виготовляється двохшаровим у виді циліндрів з кварцового скла зі з’єднаними осями і різними коефіцієнтами переломлення. Внутрішній циліндр (шар) називається серцевиною ОВ, а зовнішній шар − оболонкою ОВ.

5. Принцип поширення оптичного випромінювання

Як відомо із оптики, кут повного внутрішнього відбиття, при якому падаюче на границю двох середовищ випромінювання цілком відбивається без проникнення в зовнішнє середовище, визначається співвідношенням
θ_кр = arcos (n₂/n₁), де n₁ − показник переломлення сердечника ОВ, n₂ − показник переломлення оболонки ОВ, причому n₁ > n_2. Випромінювання повинне вводиться у волокно під кутом до осі меншим, ніж θ_КР.

У залежності від виду профілю показника переломлення серцевини розрізняють східчасті і градієнтні ОВ. У східчастих ОВ показник переломлення серцевини постійний (рис. 5, а). У градієнтних ОВ показник переломлення серцевини плавно міняється уздовж радіуса від максимального значення на осі до значення показника переломлення оболонки (рис. 5, б).

6. Профіль показника переломлення східчастого (а) і градієнтного (б) ОВ

В ОВ може одночасно існувати кілька типів хвиль (мод). У залежності від модових характеристик ОВ зі східчастим профілем переломлення поділяються на два види: багатомодові й одномодові.

На рис. 6 приведено приклад конструкції оптичного кабелю. Загасання ОВ для різних довжин хвиль є неоднорідним. Залежність коефіцієнта загасання ОВ від робочої довжини хвилі приведена на рис. 7. Дана залежність має три мінімуми, називані вікнами прозорості. Історично першим було освоєно вікно прозорості на робочій довжині хвилі 0,85 мкм.

7. Конструкція оптичного кабелю: 1 − ОВ, 2 − поліетиленова трубка, 3 − силовий елемент, 4 і 5 − відповідно внутрішні і зовнішня поліетиленові оболонки

Перші напівпровідникові випромінювачі (лазери і світлодіоди) і фотоприймачі були розроблені саме для даної довжини хвилі. Коефіцієнт загасання в першому вікні значний і складає одиниці дБ/км. Пізніше були створені випромінювачі і фотоприймачі, спроможні працювати на великих довжинах хвиль (1,3 і 1,55 мкм). Сучасні системи зв’язку звичайно використовують друге або третє вікно з малими коефіцієнтами загасання. Сучасна технологія дозволяє одержати ОВ з коефіцієнтом загасання порядку сотих часток дБ/км.

8. Спектральна характеристика коефіцієнта загасання ОВ