Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

УКРАИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет механический

Кафедра ИTK

Курсовая работа

“Параметры устройств и функционирование оптических кабельных систем”

Выполнил:

студент группы 3-IС-27 Куделя С.В.

Проверил:

доцент Безуб В.Н.

Днепропетровск 2009

Содержание

1. Волоконная оптика

2. Оптоволоконная система передачи данных

3. Структура световода и прохождение луча по волокну

4. Мощность сигнала, потери и усиление

5. Пропускная способность, методы передачи и кодирования

6. Источники и приемники излучения

7. Топология соединений. Разветвители, переключатели и мультиплексоры

8. Оптоволоконные кабели

9. Оптические соединители

9.1 Неразъемные соединения - сварка и сплайсы

9.2 Разъемные соединения

10. Оптоволоконные сети

11. Сетевые технологии с оптоволоконной передачей

11.1 Ethernet 10/100/1000 Мбит/с

11.2 Token Ring

11.3 FDDI

11.4 ATM, SONET, SDH

11.5 ARCnet (TCNS)

11.6 Аппаратура 10BASE-FL

11.7 Аппаратура 100BASE-FX

12. Достоинства и недостатки оптоволоконной передачи

Список литературы

1. Волоконная оптика

Передача информации по оптическим линиям связи имеет всего лишь 50-летнюю, но весьма бурную историю. В основе оптической передачи лежит эффект полного внутреннего отражения луча, падающего на границу двух сред с различными показателями преломления.

Световод представляет собой тонкий двухслойный стеклянный стержень, у которого показатель преломления внутреннего слоя (n₁) больше, чем наружного (п₂). Если в торец такого стержня ввести световой луч под углом к оси, не превышающим некоторый критический угол, то луч будет полностью отражаться от поверхности раздела слоев и распространяться вдоль световода. При этом световод можно изгибать (в определенных пределах), и проходящий световой поток также будет изгибаться.

Световод, управляемый источник света и фотодетектор образуют канал оптической передачи информации, протяженность которого может достигать десятков километров. Световоды пропускают свет с длиной волны 0,4-3 мкм (400-3000 нм), но пока практически используется только диапазон 600-1600 нм (часть видимого спектра и инфракрасного диапазона).

История оптоволоконной передачи началась с коротковолновых (около 800 нм) систем. По мере совершенствования технологий производства излучателей и приемников уходят в сторону более длинных волн - через 1300 и 1500 к 2800 нм, передача которых может быть эффективнее. Высокая частота электромагнитных колебаний этого диапазона (10¹³-10¹⁴ Гц) дает потенциальную возможность достижения скорости передачи информации вплоть до терабит в секунду.

Существующая ныне оптоволоконная технология может развивать скорость передачи данных вплоть до 50 000 Гбит/с (50 Тбит/с), и при этом специалисты заняты поиском более совершенных материалов. Реально достижимый предел скорости практический предел в 10 Гбит/с определяется существующими источниками и приемниками, хотя в лабораторных условиях уже достигнута скорость 100 Гбит/с на одинарном волокне.

2. Оптоволоконная система передачи данных

Система принимает электрические сигналы и преобразует их в световые импульсы, передающиеся по волокну. На другой стороне происходит обратное преобразование в электрические сигналы.

Такая передающая система была бы бесполезна, если бы свет по дороге рассеивался и терял свою мощность. Однако в данном случае используется один интересный физический закон. Когда луч света переходит из одной среды в другую, например, из кварцевого стекла в воздух, луч отклоняется (эффект рефракции или преломления) на границе «стекло-воздух», как показано на рис. 2.1, а. Здесь мы видим, что луч света падает под углом б₁, выходя под углом в1. Соотношение углов падения и отражения - зависит от свойств смежных сред (в частности, от их коэффициентов преломления). Если угол падения превосходит некоторую критическую величину, луч света целиком отражается обратно в стекло, а в воздух ничего не проходит. Таким образом, луч света, падающий на границу сред под углом, превышающим критический, оказывается запертым внутри волокна, как показано на рис 2.1, б, и может быть передан на большое расстояние почти без потерь.

На рис. 2.1, б показан только один пойманный луч света, однако поскольку любой луч света с углом падения, превышающим критический, будет отражаться от стенок волокна, то и множество лучей будет одновременно отражаться под различными углами. Про каждый луч говорят, что он обладает некоторой модой, а оптическое волокно, обладающее свойством передавать сразу несколько лучей, называется многомодовым. Однако если уменьшить диаметр волокна до нескольких длин волн света, то волокно начинает действовать подобно волноводу, и свет может двигаться только по прямой линии, без отражений от стенок волокна. Такое волокно называется одномодовым. Оно стоит дороже, но может использоваться при передаче данных на большие расстояния. Сегодняшние одномодовые волоконные линии могут работать со скоростью 50 Гбит/с на расстоянии до 100 км. В лабораториях были достигнуты и более высокие скорости, правда, на меньших дистанциях.

3. Структура световода и прохождение луча по волокну

Устройство световода иллюстрирует рис. 3.1. Внутренняя часть световода называется сердцевиной (core, иногда переводят как «ядро»), внешняя - оптической оболочкой волокна, или просто оболочкой (cladding). В зависимости от траекторий распространения света различают одномодовое и многомодовое волокно. Многомодовое волокно (multi mode fiber, MMF) имеет довольно большой диаметр сердцевины - 50 или 62,5 мкм при диаметре оболочки 125 мкм или 100 мкм при оболочке 140 мкм. Одномодовое волокно (single mode fiber, SMF) имеет диаметр сердцевины 8 или 9,5 мкм при том же диаметре оболочки. Снаружи оболочка имеет защитное покрытие (coating) толщиной 60 мкм, называемое также защитной оболочкой. Световод (сердцевина в оболочке) с защитным покрытием называется оптическим волокном. Оптоволокно в первую очередь характеризуется диаметрами сердцевины и оболочки, эти размеры в микрометрах записываются через дробь: 50/125, 62,5/125, 100/140, 8/125, 9,5/125 мкм. Наружный диаметр волокна (с покрытием) тоже стандартизован, в телекоммуникациях в основном используются волокна с диаметром 250 мкм. Применяются также и волокна с буферным покрытием, или просто, буфером (buffer), диаметром 900 мкм, нанесенным на первичное 250-мкм покрытие.

Распространение света в волокне иллюстрирует рис. 3.2. Для того чтобы луч распространялся вдоль световода, он должен входить в него под углом не более некоторого критического относительно оси волокна, то есть попадать в воображаемый входной конус. Синус этого критического угла называется числовой апертурой световода AM и определяется через абсолютные показатели преломления слоев по формуле

В многомодовом волокне показатели преломления сердцевины п_c и оболочки n_j, различаются всего на 1-1,5% (например, п_с: п_об = 1,515:1,50). При этом апертура NA = 0,2-0,3 и угол, под которым луч может войти в световод, не превышает 12-18° от оси.

В одномодовом волокне показатели преломления различаются еще меньше (п_с: п_об = 1,505:1,50), апертура NA = 0,122 и угол не превышает 7° от оси. Чем больше апертура, тем легче ввести луч в волокно, но при этом увеличивается модовая дисперсия и сужается полоса пропускания. Числовая апертура характеризует все компоненты оптического канала - световоды, источники и приемники излучения. Для минимизации потерь энергии апертуры соединяемых элементов должны быть согласованными друг с другом.

Строго говоря, распространение сигнала в оптоволокне описывается уравнениями Максвелла. Возможные решения уравнений Максвелла соответствуют различным световым модам. В большинстве случаев можно пользоваться приближением геометрической оптики. Если рассматривать распространение сигнала с позиций геометрической оптики, то световые лучи, входящие под различными углами, будут распространяться по разным траекториям (рис. 3.3). Более высоким модам соответствуют лучи, входящие под большим углом, - они будут иметь большее число внутренних отражений по пути в световоде и будут проходить более длинный путь. Число мод для конкретного световода зависит от его конструкции - показателей преломления и диаметров сердцевины и оболочки - и длины волны.

Световой импульс, проходя по волокну, из-за явления дисперсии изменит свою форму - «размажется». Дисперсия бывает трех видов: модовая, молекулярная и волноводная.

Модовая дисперсия (modal dispersion) в многомодовом волокне возникает из-за разности длин путей, проходимых лучами различных мод. Эта дисперсия определяется как разность времени прохождения единицы длины волокна различными модами, для нее типичны значения 15-30 нс/км для волокна со ступенчатым профилем. Ее можно уменьшать, сокращая количество мод - уменьшая диаметр сердцевины (в пределе до одномодового). Кроме того, эту дисперсию уменьшает применение градиентного профиля показателя преломления. Как видно из рисунка 3.3. применение сердцевины с градиентным изменением показателя преломления в многомодовом волокне позволяет уменьшить количество мод, а следовательно, и уменьшить искажение выходного импульса. Кроме того, лучи, идущие по длинным траекториям, значительную часть пути проходят по среде с меньшей плотностью - их скорость больше, и приходят они почти одновременно с лучами более коротких траекторий.

Спектральная дисперсия, называемая также молекулярной или материальной, вызвана тем, что волны с разной длиной распространяются в одной и той же среде с различной скоростью, что обусловлено особенностями молекулярной структуры. Поскольку источник излучает не одну волну, а спектр (пусть и узкий), лучи различной длины волны будут достигать приемника не одновременно. В области около 850 нм более короткие волны по световоду движутся медленнее, чем более длинные. В области 1550 нм ситуация обратная. В области около 1300 нм дисперсия нулевая. Молекулярная дисперсия определяется как разность времени прохождения по волокну излучения различных длин волн, отнесенная к разности длин этих волн и длине волокна (единица измерения - пс/нм/км). Молекулярная дисперсия существенна для одномодового волокна (в многомодовом ее влияние малозаметно). Снизить ее влияние можно уменьшением ширины полосы излучения источника и выбором оптимальной длины волны.

Волповодная дисперсия, актуальная для одномодового волокна, обусловлена разностью скоростей распространения волн по сердцевине и оболочке.

В одномодовом волокне, кроме ступенчатого профиля показателей преломления, применяют и более сложные: W-образный двухступенчатый с депрессированной двойной оболочкой и треугольный, - наиболее эффективно подавляющие паразитные моды. Этим достигается снижение влияния дисперсии на форму передаваемого сигнала, за что такое волокно называют True wave - истинная волна.

Относительно недавно было обнаружено, что эффект дисперсии можно предотвратить, если придавать импульсам специальную форму, а именно обратной величины гиперболического косинуса. В этом случае будет возможно посылать импульсы на тысячи километров без искажения формы. Такие импульсы называются уединенными волнами.

Режим передачи - одномодовый или многомодовый - определяется способом ввода света в волокно (инжекции), конструкцией волокна и длиной волны источника. Ввод света для одномодового режима должен осуществляться узким лучом точно вдоль оси волокна, здесь в качестве источника можно использовать только лазер. Для многомодовой передачи может использоваться и более дешевый светодиодный излучатель, имеющий более широкую диаграмму направленности. Передача в одномодовом режиме возможна лишь при длине волны, превышающей некоторое пороговое значение (cut-off wavelength). Эта пороговая длина волны определяется конструкцией волокна (диаметром сердцевины). Волокно для одномодовой передачи на длине волны 1300 нм имеет пороговую длину волны около 1200 мкм. Следовательно, в таком волокне на длине волны 850 нм одномодовая передача невозможна. При одномодовой передаче луч передается и по внутренней части оболочки, поэтому ее прозрачность, как и прозрачность сердцевины, влияет на затухание сигнала. Здесь световой луч характеризуется диаметром модового пятна - области сечения волокна, через которую он распространяется (больше, чем сердцевина). В многомодовом волокне через оболочку свет не идет, так что ее прозрачность несущественна.

4. Мощность сигнала, потери и усиление

Мощность оптического сигнала измеряется в логарифмических единицах дБм (децибел к милливатту): уровню 0 дБм соответствует сигнал с мощностью 1 мВт. Иногда пользуются единицей дБмк: уровню 0 дБмк соответствует сигнал с мощностью 1 мкВт.

Ослабление силы света при прохождении через стекло зависит от длины волны. Для стекла, используемого в оптическом волокне, зависимость ослабления от длины волны в децибелах на километр длины волокна показана на рис. 4.1. Ослабление о децибелах вычисляется по формуле

Передаваемая мощность

Ослабление в децибелах = 10lg ----------------------

Принимаемая мощность

Например, ослаблению мощности в два раза соответствует на графике 10 lg 2 = 3 дБ. На графике изображена ближняя инфракрасная часть спектра, используемая на практике. Видимый свет имеет несколько более короткие длины волн - от 0,4 до 0,7 мкм (1 мкм равен 10^-6 м).

В системах связи используются три диапазона длин волн: 0,85, 1,30 и 1,55 мкм соответственно. Последние два обладают хорошими характеристиками ослабления (менее 5% потерь на километр). Диапазон 0,85 мкм обладает более высоким ослаблением, однако его преимуществом является то, что для этой длины волны лазеры и электроника могут быть сделаны из одного и того же материала (арсенида галлия). Все три диапазона обладают полосой пропускания 25 000-30 000 ГГц.

В оптической передаче самые сложные задачи связаны с концами и стыками волокон. Это генерация световых импульсов и ввод их в волокно, прием и детектирование сигналов, л «просто» соединение отрезков волокон между собой. Луч, падающий на торец волокна, входит в него не весь: он частично отражается обратно, часть проходящей энергии рассеивается на дефектах (шероховатости) поверхности торца, часть «промахивается» мимо конуса, принимающего свет.

То же самое происходит и на выходе луча из волокна. В итоге каждый стык вносит потери проходящего сигнала (типовое значение 0,1-1 дБ), а уровень отраженного сигнала может находиться в пределах -(15-60) дБ. Для снижения потерь и отражений применяют различные конструктивные ухищрения. Рассмотрим основные источники неприятностей на стыках.

При прохождении луча через границу двух сред, различающихся по показателям преломления, происходит его частичное обратное отражение. Это отражение, называемое френелевским, тем больше, чем больше различаются показатели преломления (неважно, в какую сторону). Для пары стекло-воздух потери на френелевском отражении при нормальном падении составляют 0,17 дБ. Таким образом, на стыке двух волокон с малейшим воздушным зазором потери только на этом отражении составят 0,34 дБ (стекло-воздух-стекло). В многомодовом режиме, когда свет падает на границе раздела не перпендикулярно, потери будут больше. Для устранения этого отражения в зазор между волокнами вводят каплю геля, совпадающего со стеклом по показателю преломления. В разъемных соединениях обратное отражение снижают другими способами.

Поскольку реальные волокна не имеют идеально круглой концентрической формы сечения, при стыковке волокон потери возникают от некруглости и эксцентриситета стыкуемых волокон. Кроме того, потери вызываются и угловым отклонением осей волокон. Все эти дефекты, естественно, могут только увеличивать переходные потери.

Как ни странно, волокно может вносить не только затухание, но и усиление сигнала. На основе отрезка оптоволокна, легированного эрбием, возможно создание чисто оптического усилителя сигнала. Усилитель EDFA (erbium-doped fiber amplifier) увеличивает мощность проходящего оптического сигнала с длиной волны 1550 нм на 30-40 дБ за счет оптической энергии, поступающей от лазера накачки с длиной волны 980 нм. Такой усилитель проще в реализации, чем электронный усилитель с приемником и передатчиком. Кроме того, поскольку он усиливает чисто оптический сигнал, не возникает проблем с быстродействием. Эрбиевые усилители применяют в длинных магистралях.

5. Пропускная способность, методы передачи и кодирования

В большинстве современных технологий информация по световодам передается с помощью импульсов в двухуровневой дискретной форме (есть сигнал [1] - нет сигнала [0]), аналога полярности электрического сигнала здесь нет. Информационная пропускная способность линии определяется ее полосой пропускания и принятой схемой кодирования.

Полоса пропускания определяется как максимальная частота импульсов, различимых приемником. На рис. 5.1 показаны результаты прохождения пары импульсов через отрезки световодов различной длины. Полоса пропускания волоконной линии ограничивается из-за явления дисперсии, поэтому она зависит от длины. Особенно это заметно на многомодовом волокне. Для мпогомодового волокна ширина полосы пропускания BW (МГц) связана с длиной L (км) через параметр, называемый полосой пропускания А (МГц км):

BW = A/L

По полосе пропускания A можно определить максимальную частоту, при которой импульсы будут еще различимыми после прохождения через световод заданной длины. Можно решить и обратную задачу - определить максимальную длину световода, пропускающего импульсы заданной частоты. Коэффициент А приводится в спецификации на волокно и указывается для конкретной длины волны.

Для одномодового волокна в расчете полосы пропускания участвует молекулярная дисперсия Disp (пс/нм/км) и ширина спектра источника SW (нм), здесь можно использовать оценку

Современные одномодовые кабели и лазерные излучатели обеспечивают полосу пропускания порядка 1 ГГц при длине линии 100 км (технология l000 BaseLH). Применение особо прозрачных фторцирконатных волокон позволит строить линии с участками без регенераторов длиной до 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.

Эффективность использования полосы пропускания определяется принятой схемой кодирования. В технологии-FDDI (и 100BaseFX), например, применяется физическое кодирование по методу NRZI, при котором один бит передается за 1 такт синхронизации, и логическое 4В/5В. Это означает, что каждые 4 бита полезной информации кодируются 5-битным символом, передаваемым за 5 тактов. Таким образом, коэффициент использования полосы пропускания составляет 4/5=0,8, и для передачи данных со скоростью 100 Мбит/с требуется обеспечить передачу импульсов с частотой (полосой) 125 МГц. В технологиях современных поколений используется когерентное излучение с модуляцией частоты или фазы сигнала. При этом достигается пропускная способность, измеряемая гигабитами в секунду при длине в сотни километров без регенерации. Другое направление - солитоновая технология, основанная на передаче сверхкоротких (10 пс) импульсов-солитонов. Эти импульсы распространяются без искажения формы, и в идеальной линии (без затухания) дальность связи не ограничена при гигабитных скоростях передачи. Для этих технологий, пока не имеющих отношения к локальным сетям, пропускная способность линии определяется иными способами.

6. Источники и приемники излучения

В качестве источников излучения используются светодиоды и полупроводниковые лазеры. Они обладают различными свойствами, как показано в табл. 6.1. Их длина волны может быть настроена при помощи интерферометров Фабри-Перо (Fabry-Perot) или Мака-Цандера (Mach-Zehrider), устанавливаемых между источником и кабелем. Интерферометры Фабри-Перо представляют собой простые резонансные углубления, состоящие из двух параллельных зеркал. Свет падает перпендикулярно зеркалам, углубление отбирает те длины волн, которые укладываются в его размер целое число раз. Интерферометры Маха- Цандера разделяют свет на два луча, которые проходят различное расстояние и снова соединяются на выходе. Синфазными на выходе интерферометра окажутся лучи строго определённой длины. Светодиоды (LED - Light Emited Diode) являются некогерентными источниками, генерирующими излучение в некоторой непрерывной области. Из-за значительной ширины диаграммы направленности их применяют только при работе с многомодовым волокном. По конструкции различают светодиоды с поверхностным и боковым излучением. Последние обладают более узкой направленностью луча.

Лазеры являются когерентными источниками, обладающими узкой спектральной шириной излучения. Лазер дает узконаправленный луч, необходимый для одномодового волокна. Мощность излучения сильно зависит от температуры, поэтому приходится применять обратную связь для регулировки тока. Лазерный источник чувствителен к обратным отражениям: отраженный луч, попадая в оптическую резонансную систему лазера, в зависимости от сдвига фаз может вызвать как ослабление, так и усиление выходного сигнала. Нестабильность уровня сигнала может приводить к неработоспособности соединения, поэтому требования к величине обратных отражений в линии для лазерных источников гораздо жестче.

Таблица 6.1 - Сравнительные характеристики светодиодов и полупроводниковых лазеров

Характеристика	Светодиод	Полупроводниковый лазер
Скорость передачи данных (быстродействие)	Низкая (до 622 Мбит/с)	Высокая
Ширина спектра излучения	30-50 нм	1-3 нм (в идеале - монохромные)
Рабочий диапазон волн	850 нм, 1300 нм (Передача на более длинных волнах эффективнее, но технология изготовления излучателей на 1300 нм сложнее и они дороже)	1300 нм, 1550 нм (осваиваются и более длинноволновые диапазоны)
Тип волокна	Многомодовые	Многомодовые или одномодовые
Расстояния передачи сигнала	Короткие (до 5 км без репитеров)	Большие (до 50 км без репитеров)
Срок службы	Длительный	Менее долговечен, чем светодиод
Чувствительность к температуре	Невысокая	Значительная

Лазерные источники применяются и для работы с многомодовым волокном (например, в технологии Gigabit Ethernet 1000Base-LX).

Спектральные характеристики излучателей изображены на рис. 6.1.

Детекторами излучения служат фотодиоды. Существует ряд типов фотодиодов, различающихся по чувствительности и быстродействию. Простейшие фотодиоды со структурой рп имеют низкую чувствительность и большое время отклика. Большим быстродействием обладают диоды со структурой pin, у которых время отклика измеряется единицами наносекунд при приложенном напряжении от единиц до десятков вольт. Лавинные диоды обладают максимальной чувствительностью, но требуют приложения напряжения в сотни вольт, и их характеристики сильно зависят от температуры. Зависимость чувствительности фотодиодов от длины волны имеет явно выраженные максимумы на длинах волн, определяемых материалом полупроводника. Самые дешевые кремниевые фотодиоды имеют максимальную чувствительность в диапазоне 800-900 нм, резко спадающую уже на 1000 нм. Для более длинноволновых диапазонов используют германий и арсенид индия и галлия.

На основе излучателей и детекторов выпускают готовые компоненты - передатчики, приемники и приемопередатчики. Эти компоненты имеют внешний электрический интерфейс ТТЛ или ЭСЛ. Оптический интерфейс - коннектор определенного типа, который устанавливают на отрезок волокна, приклеенный непосредственно к кристаллу излучателя или детектора.

Передатчик (transmitter) представляет собой излучатель со схемой управления. Основными оптическими параметрами передатчика являются выходная мощность, длина волны, спектральная ширина, быстродействие и долговечность. Мощность передатчиков указывают для конкретных типов волокон (чтобы в расчетах не учитывать диаграмму направленности, диаметр и апертуру излучателя). Для одного и того же передатчика в ММ-волокно с большим диаметром сердцевины вводится большая мощность. Быстродействие определяется временем нарастания (от 10 до 90% мощности) и спада (от 90 до 10%) сигнала на выходе. Долговечность источника определяет время (миллионы часов), за которое мощность излучения падает на 3 дБ (деградация мощности происходит из-за разрушения структуры кристалла прибора). Обычное время срабатывания фотодиода - около 1 нс, что ограничивает скорость передачи данных 1 Гбит/с.

Приемник (receiver) - это детектор с усилителем-формирователем. Приемник характеризуется диапазоном принимаемых волн, чувствительностью, динамическим диапазоном и быстродействием (полосой пропускания). Полоса пропускания приемника ВW определяется через время отклика t_R, зависящее от емкости диода со схемами подключения и сопротивления нагрузки:

ВW=0.35t_R.

Чувствительность приемника - минимальная детектируемая оптическая мощность - определяется уровнем шумов различного происхождения и в основном зависит от фотодиода. Динамический диапазон - разница между максимальной и минимальной детектируемой мощностью (в децибелах). Уровень максимальной мощности, при которой еще не происходит насыщения приемника, определяется как фотодиодом, так и усилителем. Для детектирования сигнала с уровнем ошибок не выше заданного уровня BER (Bit Errors Ratio - относительное количество ошибочных бит) мощность принимаемого сигнала должна лежать в пределах динамического диапазона. Так, например, для приемников с чувствительностью -33 дБм и динамическим диапазоном 20 дБ допустим уровень сигнала от -33 до -13 дБм. Более высокие частоты передачи требуют более высокого уровня сигнала на входе приемника. Приемник различает уровни сигналов относительно некоторого порогового значения. Для расширения динамического диапазона пороговый уровень определяется динамически по усредненному значению входного сигнала. В большинстве схем кодирования уровень мощности оптического сигнала зависит от передаваемой информации (мощность тем больше, чем дольше выходной сигнал находится в активном состоянии). С точки зрения приема информации выгоднее схемы кодирования, у которых значения максимальной и минимальной мощности различаются как можно меньше. Для таких схем кодирования легче обеспечить большой динамический диапазон с безошибочным приемом информации.

Поскольку в сетях всегда используется двунаправленная связь, выпускают и трансиверы (transceiver) - сборку передатчика и приемника с согласованными параметрами.

7. Топология соединений. Разветвители, переключатели и

мультиплексоры

Оптоволоконная передача допускает разнообразие топологий соединения устройств. Каждое устройство с оптическим портом, как правило, имеет приемник и передатчик каждый со своим коннектором. Наиболее простая и распространенная топология соединений - двухточечная (рис. 7.1, а). Здесь выход передатчика одного порта соединяется отдельным волокном со входом противоположного порта. Таким образом, для дуплексной связи необходимо два волокна. На основе двухточечного соединения строится и звездообразная топология (рис. 7.1, 6), где каждый порт периферийного устройства соединяется парой волокон с отдельным портом центрального устройства, которое может быть как активным, так и пассивным.

В кольцевой топологии выход передатчика одного устройства соединяется со входом следующего и так далее до замыкания кольца. Для того чтобы устройства могли обмениваться информацией по кольцу, они все должны быть включены и исправны, что не всегда достижимо. Для возможности работы кольца при отключении отдельных устройств применяют обходные коммутаторы (bypass switch).

Обходной (он же проходной) коммутатор представляет собой пассивное управляемое устройство, включаемое между линиями связи и коннекторами приемника и передатчика устройства. Он имеет поворотное зеркало с электрическим приводом. При наличии управляющего напряжения зеркало принимает такое положение, при котором станция включена в кольцо (рис. 7.2, а). При отсутствии управляющего напряжения зеркало поворачивается так, что кольцо замыкается, минуя станцию, и, кроме того, в тестовых целях приемник станции подключается к ее передатчику (рис. 7.2, б). Под пассивностью коммутатора подразумевается то, что он не имеет собственных приемников и передатчиков, а также усилительных схем.

С оптоволокном также возможна организация разделяемой среды передачи на чисто пассивных элементах-разветвителях. Разветвитель (coupler) представляет собой многопортовое устройство для распределения оптической мощности (здесь под портом понимается точка подключения волокна). Световая энергия, поступающая на один из портов, распределяется между другими портами в заданном соотношении. В реальном разветвителе присутствуют и различные потери, так что сумма выходных мощностей будет меньше входной. Разветвители реализуются с помощью сварки узла из нескольких волокон или с помощью направленных отражателей.

Т-разветвитель имеет 3 порта, такие разветвители можно соединять в цепь, реализуя шинную топологию с разделяемым доступом к среде передачи (рис. 7.3, а). Для того чтобы в цепочку можно было соединять значительное количество абонентов, разветвители должны большую часть мощности пропускать насквозь, а к абонентам ответвлять меньшую. Абоненты, имеющие раздельные коннекторы приемников и передатчиков, должны подключаться к шине через дополнительные разветвители. В такой сети потери между абонентами сильно зависят от их взаимного расположения в цепочке, в результате чего повышаются требования к ширине динамического диапазона приемников. С ростом количества абонентов потери (в децибелах) растут линейно.

В разветвителе «звезда» свет, входящий в любой порт, равномерно распределяется между всеми остальными. На основе такого разветвителя может строиться сеть с разделяемой средой передачи и звездообразной топологией (см. рис. 7.3, 6) - например, Ethernet 10Base-FP. Здесь рост потерь с увеличением числа узлов происходит гораздо медленнее, но расплатой является большая потребность в оптическом кабеле - от каждого абонента к разветвителю идет пара волокон. На рис. 7.4 приведены графики потерь для сетей с идеальными (без внутренних потерь) и реальными разветвителями обоих типов (графики взяты из книги Дж. Стерлинга «Техническое руководство по волоконной оптике»).

Трехпортовые разветвители иногда применяются для передачи сигналов во встречных направлениях по одному волокну (рис. 7.3, 6). Разветвители вносят значительные потери и нежелательную взаимную засветку передатчиков, из-за чего их применение не всегда технически возможно. Кроме того, из-за высокой стоимости их применение экономически целесообразно лишь в тех случаях, когда затраты на выделение второго волокна становятся слишком большими (например, требуется прокладка нового кабеля на большое расстояние).

Для повышения эффективности использования оптических линий, по ним можно одновременно передавать сигналы с разной длиной волны. Для этого существуют мультиплексоры с разделением по длинам воли WDM (Wavelength Division Multiplexer), вид одного из которых показан на рис. 7.5. В них сигналы с разными длинами волн из одного волокна разделяются по разным волокнам. Устройства обратимы - они же собирают сигналы с нескольких волокон в одно. Разрешающая способность определяется технологией разделения, которая может основываться на различных принципах. В локальных сетях применяют двухволновые разделители для 850/1300 и 1300/1550 нм. Они позволяют одновременно использовать одну пару волокон двум различным сетевым приложениям, не конфликтующим по длине волны. В современных коммуникационных технологиях применяют мультиплексирование и более тесно расположенных волн, а задача разделения и объединения решается на уровне приемника и передатчика.

8. Оптоволоконные кабели

световод луч кодирование оптоволоконный

Оптоволокно само по себе очень хрупкое и для использования требует дополнительной защиты от внешних воздействий. Кабели, применяемые в сетях, используют одномодовые и многомодовые волокна с номинальным диаметром оболочки 125 мкм в покрытии с наружным диаметром 250 мкм, которые могут быть заключены и в 900-мкм буфер. Оптический кабель состоит из одного или нескольких волокон, буферной оболочки, силовых элементов и внешней оболочки. В зависимости от внешних воздействий, которым должен «противостоять кабель» эти элементы выполняются по-разному.

По количеству волокон кабели подразделяют на симплексные (одножильные), дуплексные (2 волокна) и многожильные (от 4 до нескольких сотен волокон). В многожильных кабелях обычно применяются однотипные волокна, хотя производители кабеля под заказ могут комплектовать его и разнотипными (ММ и SM) волокнами. Ориентировочные значения основных параметров волокон приведены в табл. 8.1. Наиболее популярно многомодовое волокно 62,5/125, однако его полосы пропускания на волнах 850 нм недостаточно для организации длинных магистралей Gigabit Ethernet (см. табл. 4.2 на стр. 172). Волокно 100/140, указанное в спецификации Token Ring, применяется ограниченно (стандартами СКС не предусматривается). Из одномодовых больше распространено волокно 9,5/125.

Таблица 8.1 - Основные параметры оптических волокон

Волокно	Затухание, дБ/км	Полоса пропускания, МГцкм	Апертура
мкм/мкм	850 нм	1300 нм	1550 нм	850 нм	1300 нм	NA
8/125. 9.5/125	-	0,35 -	0.22 -	-	-	0,1
50/125	2.7-3,5	0,7-2,0	-	400-500	400-500	0.20
62,5/125	2,7-3,5	0,7-15	-	160-200	400-500	0.275
100/140	5,0	4,0	-	100	200	0.29

Волокна характеризуются и более подробными геометрическими параметрами (допуски диаметров, эксцентриситет, некруглость), но их приводят не во всех спецификациях и в практических расчетах они не фигурируют.

Буфер отделяет волокно от остальных элементов кабеля и является первой ступенью защиты волокна. Буфер может быть плотным или пустотелым. Плотный буфер (tight buffer) заполняет все пространство между покрытием и внешней оболочкой кабеля. Простейшим плотным буфером является 900-мкм защитное покрытие волокна. Плотный буфер обеспечивает хорошую защиту волокна от давления и ударов, кабель в плотном буфере имеет небольшой диаметр и допускает изгиб с относительно небольшим радиусом. Недостатком плотного буфера является чувствительность кабеля к изменению температуры: из-за разницы в коэффициентах теплового расширения волокна (малый) и буфера (большой) при охлаждении буфер будет «съеживаться», что может вызвать микроизгибы волокна. Кабель с плотным буфером применяют в основном для разводки внутри помещений и изготовления коммутационных шнуров.

В кабеле с пустотелым буфером (loose tube) волокна свободно располагаются в полости буфера - жесткой пластиковой трубки, а оставшееся пространство может быть заполнено гидрофобным гелем. Такая конструкция более громоздка, но обеспечивает большую устойчивость к растяжению и изменениям температуры. Здесь волокна имеют длину большую, чем длина кабеля, поэтому деформации оболочки не затрагивают само волокно. В зависимости от назначения и числа волокон профиль буфера может иметь различную форму.

Силовые элементы обеспечивают требуемую механическую прочность кабеля, принимая на себя растягивающие нагрузки. В качестве силовых элементов используют кевларовые нити, стальные стержни, стренги из скрученной стальной проволоки, стеклопластиковые стержни. Самую высокую прочность имеет стальная проволока, но для полностью непроводящих кабелей она неприменима.

Внешняя оболочка защищает всю конструкцию кабеля от влаги, химических и механических воздействий. Кабели для тяжелых условий эксплуатации могут иметь многослойную оболочку, включающую и бронирующую рубашку из стальной ленты или проволоки. Материал внешней оболочки определяет защищенность кабеля от тех или иных воздействий, а также горючесть кабеля и токсичность выделяемого дыма.

В локальных сетях применяют кабели наружной, внутренней и универсальной прокладки. Наружные (outdoor) кабели отличаются лучшей защищенностью от внешних воздействий и более широким диапазоном допустимых температур. Однако по противопожарным нормам их не разрешается использовать внутри помещения, поскольку при горении они выделяют токсичный дым. По этой причине длина прокладки такого кабеля внутри помещения ограничивается 15 м - далее должна быть распределительная коробка, в которой этот кабель стыкуется с внутренним. На рис. 8.1 приведены два варианта наружных кабелей с разной степенью защиты.

Рис 8.1 - Кабели для наружной прокладки

а - в грунте и под водой,

б - в кабельной канализации.

1 - модуль оптических волокон в 250-мкм покрытии,

2 - центральный силовой элемент,

3 - кордель (стеклонити),

4 - гидрофобный заполнитель (гель),

5 - промежуточная оболочка,

6 - броня из стальной проволоки,

7 - наружная оболочка (полиэтилен),

8 - упрочняющие элементы

Внутренний (indoor) кабель, как правило, менее защищен, но и менее опасен при возгорании. Универсальный (indoor/outdoor) кабель сочетает в себе защищенность и безвредность, но, как правило, он дороже специализированного.

Распределительный (distribution) кабель (рис. 8.2) состоит из множества волокон (часто в 900-мкм буфере), его разделывают в распределительных коробках и панелях, корпуса которых защищают волокна от механических воздействий.

Кабели для изготовления шнуров (рис. 8.3), как правило, имеют оболочки одиночных волокон стандартного диаметра - 3 мм. Дуплексный кабель за сходство по форме с ружьем-двустволкой иногда на англоязычном сленге называют «shot-gun», что переводится как «ружье, дробовик». Кабель breakout (разрываемый) состоит как бы из нескольких симплексных кабелей в 3-миллиметровом буфере, заключенных в общий чулок. После разделки и оконцовки каждое волокно оказывается в надежной механической защите.

По американской классификации NEC (National Electric Code) оптоволоконные кабели, имеющие электропроводящие элементы и чисто диэлектрические, обозначаются как OFC (Optical Fiber Conductive - оптоволоконный проводящий) и OFN (Optical Fiber Nonconductive - оптоволоконный непроводящий) соответственно. Последняя буква добавляет классификацию по пожарной безопасности - степени воспламеняемости (flammability) и выделения ядовитого дыма (smoke generation).

# OFNP/OFCP (Optical Fiber Nonconductive/Conductive Plenum) - кабели, не выделяющие токсичных газов при горении. Допустимы для прокладки в воздуховодах (plenum) без дополнительных несгораемых коробов.

# OFNR/OFCR (Optical Fiber Nonconductive/Conductive Riser) - кабели с низкой степенью воспламеняемости для прокладки между этажами (в шахтах, вертикальных каналах).

# OFN/OFC (Optical Fiber Nonconductive/Conductive) - кабели общего применения для горизонтальной проводки. Их прокладка в межэтажных переходах и воздуховодах без огнестойких коробов или труб не допускается.

Классификация NEC не является единственной.

Рис. 8.2 - Распределительные кабели:

а - трубчатый обычный,

б - с защитой от грызунов,

в - профильный.

1 - оптические волокна в 900-мкм буфере,

2 - центральный силовой элемент,

3 - упрочняющие элементы (кевлар),

4 - наружная оболочка,

5 - полимерная трубка,

6 - стекловолоконные нити,

7 - профильный модуль.



Рис. 8.3. - Кабели для изготовления шнуров:

а - симплексный,

б - дуплексный shot-gun,

в - дуплексный breakout.

1 - оптические волокна в 900-мкм буфере,

2 - упрочняющие элементы (кевлар),

3 - наружная оболочка

В общих спецификациях на оптический кабель указывают:

¦ назначение кабеля, его защищенность, наличие электропроводящих элементов, возможные способы прокладки;

¦ тип и количество волокон;

¦ диапазон рабочих температур, отдельно может указываться для прокладки и эксплуатации (по Цельсию, °С, Кельвину К или Фаренгейту, F⁰);

¦ допустимое растягивающее усилие (Н - ньютон, lbf - фунт);

¦ минимальный радиус изгиба, постоянного и кратковременного (в диаметрах кабеля);

¦ максимальное раздавливающее усилие (Н/см - ньютон на 1 см длины);

¦ для самонесущих кабелей - длина пролета и стрела провиса (м, ft - фут, yd - ярд);

¦ внешний диаметр (мм, in - дюйм);

¦ погонный вес (кг/км);

¦ материал внешней оболочки и/или характеристики горючести.

Оптический кабель требует особо бережного отношения при прокладке. Если для медного кабеля нарушение предельно допустимых параметров (усилия, радиус изгиба) приводит, как правило, только к ухудшению характеристик (до обрыва проводников дело доходит редко), то такие «вольности» с оптическим кабелем могут приводить к разрыву (излому) волокна. Для обнаженного волокна особенно опасно сочетание растяжения и изгиба, в кабелях с пустотелым буфером воздействие на волокно смягчается.

Оптический кабель чувствителен к перепадам температур, от которых волокно может трескаться. Для кабелей, выходящих из помещения, нужно принимать во внимание и воздействие градиента температуры: он определяется через разницу температур, которая зимой может достигать и 50-60°С, и толщину стен. Если градиент выше допустимого, волокно может треснуть.

Для работы в условиях высокого уровня радиации требуется специальный кабель. От высокого уровня радиации волокно может мутнеть, в результате чего возрастет затухание сигнала в кабеле. Сверхмощное облучение (ядерный взрыв) приводит к резкому возрастанию затухания, которое экспоненциально снижается до допустимого за время, исчисляемое десятками минут.

Кроме кабелей для прокладки внутри зданий применяют и волокно в тонком буфере, которое вдувают в предварительно проложенные трубки. Эта технология вдувания называется ABF (Air-Blown Fiber), она позволяет в некоторых случаях удешевить прокладку оптических линий.

9. Оптические соединители

Оптические соединители предназначены для постоянного или временного, разъемного или неразъемного соединения волокон. Основные параметры соединителя - вносимые потери и уровень обратного отражения. Источники потерь - это геометрические погрешности изготовления и позиционирования волокон, несовпадение апертур, дефекты стыкуемых торцевых поверхностей, френелевское отражение на границах. Для минимизации потерь необходимо точное взаимное позиционирование соединяемых волокон, что особенно сложно достичь для одномодовых волокон (диаметр сердцевины < 10 мкм). Важной характеристикой соединителей является диапазон рабочих температур - тепловое расширение компонентов соединителя влияет на точность позиционирования со всеми вытекающими последствиями. На длинных линиях, где критично затухание, применяют более дорогие соединители или сварку. В локальных сетях, где требования к затуханию, как правило, ниже, но соединителей больше, на их стоимости стараются сэкономить.

9.1 Неразъемные соединения - сварка и сплайсы

Самое лучшее постоянное неразъемное соединение волокон обеспечивает сварка - вносимые потери < 0,05 дБ (типовое значение 0,01 дБ для ММ и 0,02 дБ для SM), обратные отражения < -60 дБ. Перед сваркой волокна освобождают от защитного буфера и специальным инструментом скалывают кончики. Качественно выполненная операция обеспечивает довольно гладкую поверхность скола, перпендикулярную к оси волокна. Подготовленные концы закрепляют в сварочном аппарате, который осуществляет точное позиционирование волокон по трем координатам. Позиционирование выполняется автоматически или вручную, под наблюдением через микроскоп. После точного совмещения стык сваривается электрической дугой. Сварка в основном применяется при прокладке длинных линий, где большое количество стыков ставит жесткие ограничения на вносимое затухание и надежность соединения.

Для неразъемного (постоянного или временного) соединения волокон без использования сварки применяют механические соединители-сплайсы (splice). Сплайсы фиксируют волокна в требуемом положении и обычно допускают многоразовое использование. Конструкции сплайсов разнообразны.

Сплайс CORELINK фирмы AMP (рис. 9.1) предназначен для сращивания SM- или ММ-волокон с диаметром оболочки 125 мкм и диаметром буфера 250 или 900 мкм. Волокна зажимаются в канавке между двумя щечками пружинного фиксатора. К сплайсу прилагается поворотный ключик, которым можно открыть фиксатор с нужной стороны. Сплайсы вносят затухание 0,1 дБ, отражение -55 дБ, работают в диапазоне температур -40...+80°С, габариты 517,53,3 мм (2"0,3"0,13").

Рис. 9.1 - Сплайс COREUNK с ключиком и держателем

Сплайсы Firelock фирмы ЗМ (рис. 9.2) имеют иную конструкцию, здесь фиксация осуществляется вдавливанием крышки. По диаметру буфера эти сплайсы не универсальны: выпускают модификации 250/250,250/900 и 900/900 мкм.

Рис. 9.2 - Сплайс Firelock

Сплайсы ULTRAsplice фирмы «Перспективные технологии» (рис. 9.3) предназначены для ММ- и SM-волокна в буфере 250 мкм / 1 мм. Сколотые волокна вставляются в стеклянный капилляр, заполненный иммерсионным гелем, и зажимаются при завинчивании колпачков. Сплайс обеспечивает величину вносимых потерь < 0,2 дБ и обратных отражений < -50 дБ.

Рис.9.3 - Сплайс ULTRAsplice

9.2 Разъемные соединения

Для разъемного соединения двух волокон на их концы устанавливают коннекторы (connector, plug), они же вилки, которые вставляют в соединительные розетки (receptacle) (рис. 9.4.).

Коннекторы

В отличие от электрических разъемов, из которых в сетях применяется в основном один тип (RJ-45), оптических коннекторов существует великое множество. Разъемы различаются размерами, формой, способом фиксации коннектора, количеством соединяемых волокон, простотой установки и требуемым для этого инструментом.

Коннекторы FC и ST сегодня считаются устаревшими, поэтому в новом оборудовании чаще всего применяются разъемы для коннекторов SC. Монтаж коннекторов (заделка оптоволоконного кабеля в коннектор) довольно сложен и требует специального оборудования.

По сравнению с электрическими кабелями оптоволокно обеспечивает непревзойденные параметры помехозащищенности и защиты передаваемого сигнала от перехвата. Кроме того, при его использовании данные удается передавать на существенно, большие расстояния, да и теоретически возможные скорости передачи в оптоволокне намного выше. Недостатки оптоволокна - большая стоимость кабеля, сложность заделки коннекторов (при которой требуется сварка стекловолокна) и необходимость применения дополнительных трансиверов, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно. Все это заметно повышает общую стоимость развертывания сети, поэтому до сих нор оптоволокно в локальных сетях применяется реже, чем витая пара.

Коннекторы ST - одиночные, с байонетной фиксацией, диаметр наконечника 2,5 мм

(рис. 9.5). Потери 0,2-0,3 дБ. Широко распространены в аппаратуре конца 80-х - начала 90-х годов. Стандартами СКС допускаются, если уже используются в существующих линиях, но не рекомендуются для новых инсталляций.

Коннекторы ХТС - вариант ST с технологией LightCrimp (только для ММ).

Коннекторы SC и SC Duplex - одиночные и дуплексные, диаметр наконечника 2,5 мм (рис. 9.6). Потери 0,2-0,3 дБ. В дуплексном варианте два одиночных коннектора объединяются общим зажимом или соединяются защелками. В дуплексную розетку можно установить две одиночные вилки. Фиксация «тяни-толкай»: при подключении внешний кожух придвигается к розетке и зацепы розетки фиксируют коннектор. Для отключения достаточно потянуть внешний подвижный кожух, и он освободит зацепы. Наконечник «плавает» относительно корпуса и оболочки кабеля. Стандарты СКС рекомендуют этот тип для использования в кабельной сети здания.

Коннекторы FC и FC/PC - одиночные, с резьбовой фиксацией, диаметр наконечника 2,5 мм (рис. 9.7). Потери 0,2-0,3 дБ. Наконечник «плавает» относительно корпуса и оболочки кабеля. Конструкция позволяет подобрать оптимальное положение ключа относительно наконечника и зафиксировать это положение, за счет чего можно выиграть в потерях 0,01-0,02 дБ. Устойчивы к вибрациям и ударам. Эффективны для SM-волокна, применяются в бортовых системах, дальней связи, кабельном телевидении. Существуют упрощенные моноблочные варианты (дешевле и проще в установке, но менее стойкие к внешним воздействиям).

Коннекторы FDDI - дуплексные, диаметр наконечника 2,5 мм (рис. 9.8). Фиксация с помощью двух боковых пружинящих защелок. Коннектор довольно громоздкий и дорогой. В основном применяется в аппаратуре FDDI. Система ключей предотвращает неправильное использование портов.

Рассмотренные выше коннекторы по сравнению с электрическими довольно громоздки, они не позволяют обеспечить высокую плотность портов на распределительных панелях и активном оборудовании. В TIA/EIA при разработке новой редакции стандарта 568 была предпринята попытка покончить с многообразием коннекторов и определить единый малогабаритный абонентский дуплексный соединитель, вписывающийся в габариты малогабаритной розетки RJ-45. Однако принять единый из нижеследующих так и не удалось.

¦ Коннектор MT-RJ - малогабаритный дуплексный, имеет двухволоконный наконечник с закрепленными и отполированными фрагментами волокна. Фиксируется защелкой, предназначен для проводки внутри здания. Для оконцовки необходимо лишь зачистить кабель, сколоть волокна и зафиксировать их, как в сплайсе CoreLink (время монтажа 1-2 минуты). Выпускается для одномодовых и многомодовых (50/125 и 62,5/ 125) волокон. Уровень обратных отражений -44 дБ.