Оптическая передача информации. Волоконно – оптические сети

Оптическая передача информации. Волоконно – оптические сети

В основе оптоволоконных технологий лежит принцип использования света, как основного источника информации. Отправитель преобразовывает информацию в световую волну, а адресат, получая последнюю, в свою очередь интерпретирует свет как информацию. Свет гораздо проще передать на дальние расстояния с меньшими потерями, нежели электрический ток. Кроме того, он не подвержен воздействию электромагнитных полей и способен передавать на порядки большее количество информации.

Этот метод обеспечивает наибольшие на сегодняшний день скорости, что дает хороший повод к развитию технологий передачи данных по оптоволокну. Пропускная способность может достигать порядка Терабит (1000 гигабит) в секунду. Если сравнивать с другими способами передачи информации, то порядок величин Тбит/с просто недостижим. Еще один плюс таких технологий - это надежность передачи. Передача по оптоволокну не имеет недостатков электрической или радиопередачи сигнала. Отсутствуют помехи, которые могут повредить сигнал, и нет необходимости лицензировать использование радиочастоты.

Вкратце о принципе оптического волокна и о том, как по нему передается информация. Оптоволокно - это волновод, по которому распространяются электромагнитные волны с длиной волны порядка тысячи нанометров. Это область инфракрасного излучения, невидимого человеческим глазом. За счет эффекта полного отражения света, можно заставить луч "гулять" внутри ограниченной замкнутой среды, проделывая путь от источника сигнала до его приемника. Однако для этого необходимо две среды с разной плотностью. Чаще всего в их качестве применяются кварцевые стекла различной плотности. Волну впускают в более плотную среду, ограниченную менее плотной. Среды вытягивают в так называемое оптическое волокно, сердцевину которого составляет более плотное стекло, в разрезе представляющее окружность и часто называемого световодом. Данный сердечник покрывают оболочкой из менее плотного стекла, при достижении которого транспортируемый сигнал будет полностью отражаться. Для предотвращения механических повреждений конструкция также снабжается защитной оболочкой, именуемой первичным покрытием. Для достижения сигналом адресата, необходимо впускать в сердцевину лучи под углом к боковой поверхности не менее критического. В этом случае реализуется эффект полного отражения, и теоретически луч никогда не покинет сердечника кроме как через окончание волокна. Однако на практике все же существует некоторый процент преломляемых лучей. Это связано, во-первых, со сложностью реализации подобного источника света, во-вторых, с невозможностью изготовления идеально ровного волокна, и, в-третьих, с неидеальной инсталляцией оптического кабеля.

Итак, при определенном подборе материала волокна и его диаметра возникает ситуация, когда для некоторых длин волн эта среда становится почти прозрачной и даже при попадании на границу между волокном и внешней средой большая часть энергии отражается обратно внутрь волокна. Тем самым обеспечивается прохождение излучения по волокну без особых потерь, и основная задача - принять это излучение на другом конце волокна. Материал волновода - это уникальная разработка и от его свойств зависит качество передачи данных и уровень помех; изоляция волновода разработана с учетом того, чтобы выход энергии наружу был минимален.

В целом существуют два типа оптоволоконных кабелей: многомодовые и одномодовые. В многомодовом волокне относительно большой размер сердечника позволяет свету распространяться под различными углами. В результате для этого типа кабеля характерно сильное ослабление сигнала. В одномодовом волокне размер сердечника настолько мал, что существует единственный путь распространения световой волны. Для одномодового волокна характерны высокая пропускная способность и малое затухание.

В современных оптоволоконных технологиях используются три длины волны – 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Наиболее качественной и высокоскоростной связью обладают каналы на основе волн длиной 1500 нм. Однако оконечное оборудование, способное работать на данной длине волны значительно дороже и предполагает применение только лазерных источников света. Поэтому зачастую возникает проблема оценки экономической целесообразности применения подобных сетей. Рабочая длина волны 850 нм наиболее характерна для многомодовых волокон, тогда как одномодовые волокна применяются для волн длиной на 1500 нм.

Смешанные оптико-кабельные сети (чаще оптико-коаксиальные сети) (Hybrid Fiber-Coax, HFC) - наиболее совершенные в смысле пропускной способности в настоящее время широкополосные сети передачи данных. Оператор получает возможность предоставлять абонентам и стандартные базовые услуги (стандартные аналоговые ТВ-каналы), и такие кажущиеся очевидными и необходимыми сервисы, как платное аналоговое и цифровое телевидение, телефонная связь, доступ в Интернет. В этом случае оптоволокно прокладывается до группы домов, а далее до абонентов идет разводка коаксиальным кабелем. Сопрягаются эти части при помощи оптического распределительного узла.

Оптоволоконные сети безусловно являются одним из самых перспективных направлений в области связи. Пропускные способности оптических каналов на порядки выше, чем у информационных линий на основе медного кабеля. Кроме того оптоволокно невосприимчиво к электромагнитным полям, что снимает некоторые типичные проблемы медных систем связи. Оптические сети способны передавать сигнал на большие расстояния с меньшими потерями. Несмотря на то, что эта технология все еще остается дорогостоящей, цены на оптические компоненты постоянно падают, в то время как возможности медных линий приближаются к своим предельным значениям и требуют все больших затрат на дальнейшее развитие этого направления.

Российский государственный педагогический

Университет им.

Реферат

по архитектуре ЭВМ

на тему:

“Волоконно – оптические сети

Выполнила: ЮнченкоТ.

студент II курса

ф-та ИОТ, группа 2.2

Проверил:

Санкт-Петербург 2004

1. Устройство оптического кабеля

2. Классификация оптических волокон

3. Передача информации по оптоволокну

4. DWDM и трафик

5. DWDM завтра

6. Литература

Волоконно-оптические сети и технология DWDM

Устройство оптического кабеля

Основным элементом оптического кабеля (ОК) является оптический волновод - круглый стержень из оптически прозрачного диэлектрика. Оптические волноводы из-за малых размеров поперечного сечения обычно называют волоконными световодами (ВС) или оптическими волокнами (ОВ).

Известна двойственная природа света: волновая и корпускулярная. На базе изучения этих свойств разработаны квантовая (корпускулярная) и волновая (электромагнитная) теории света. Эти теории нельзя противопоставлять. Лишь в своей совокупности они позволяют объяснить известные оптические явления.

Оптическое волокно состоит из сердцевины, по которой распространяются световые волны, и оболочки. Сердцевина служит для передачи световых волн. Назначение оболочки - создание лучших условий отражения на границе “ сердцевина - оболочка “ и защита от излучения энергии в окружающее пространство.

В общем случае в ОВ могут распространяться три типа волн: направляемые, вытекающие и излучаемые. Действие и преобладание какого-либо типа волн связаны в первую очередь с углом падения волны на границу “ сердцевина - оболочка “ ОВ. При определенных углах падения лучей на торец ОВ имеет место явление полного внутреннего отражения на границе “сердцевина - оболочка “ ОВ. Оптическое излучение как бы запирается в сердцевине и распространяется только в ней.

Классификация оптических волокон

Различают одномодовый и многомодовый режимы передачи излучения по ОВ. При многомодовом режиме распространения излучения по ОВ условие полного внутреннего отражения выполняются для бесконечного множества лучей. Это возможно только для ОВ, у которых сердцевины много больше, чем длины распространяемых волн. Такие ОВ называются многомодовые.

В одномодовых ОВ в отличие от многомодовых распространяется только один луч, и, следовательно, искажение сигнала, вызванные разным временем распространения различных лучей, отсутствуют.

Все ОВ разделяются на группы по типу распространяющегося излучения, на подгруппы по типу - по типу профиля показателя преломления и на виды - по материалу сердечника и оболочки.

Различают следующие группы ОВ:

Многомодовое (М)

Одномодовое без сохранения поляризации излучения (Е)

Одномодовое с сохранением поляризации излучения (П)

Группа многомодовых ОВ подразделяются на две под группы:

С ступенчатым показателем преломления (С)

С градиентным показателем преломления (Г)

Кроме того, ОВ подразделяются на следующие виды:

Сердцевина и оболочка кварцевые

Сердцевина кварцевая, а оболочка полимерная

Сердцевина и оболочка из многокомпонентного стекла

Сердцевина и оболочка из полимерного материала

По назначению оптические кабели связи разделяются на:

Городские

Зоновые

Магистральные

В зависимости от условий прокладки различают стационарные и линейные оптические кабели. Последние, в свою очередь, разделяют на кабели, предназначенные для прокладки в канализации и коллекторах , грунте, для подвески на опорах и стойках, для подводной прокладки.

Передача информации по оптоволокну

Если сравнивать с другими способами передачи информации, то порядок величин Тбайт/с просто недостижим. Еще один плюс таких технологий - это надежность передачи. Передача по оптоволокну не имеет недостатков электрической или радиопередачи сигнала. Отсутствуют помехи, которые могут повредить сигнал, и нет необходимости лицензировать использование радиочастоты. Однако не так много людей представляют себе, как вообще происходит передача информации по оптоволокну, и тем более не знакомы с конкретными реализациями технологий. Мы рассмотрим одну из них - технологию DWDM (dense wavelength-division multiplexing).

Вначале рассмотрим, как вообще передается информация по оптоволокну. Оптоволокно - это волновод, по которому распространяются электромагнитные волны с длиной волны порядка тысячи нанометров (10-9 м). Это область инфракрасного излучения, не видимого человеческим глазом. И основная идея состоит в том, что при определенном подборе материала волокна и его диаметра возникает ситуация, когда для некоторых длин волн эта среда становится почти прозрачной и даже при попадании на границу между волокном и внешней средой большая часть энергии отражается обратно внутрь волокна. Тем самым обеспечивается прохождение излучения по волокну без особых потерь, и основная задача - принять это излучение на другом конце волокна. Конечно, за столь кратким описанием скрывается огромная и трудная работа многих людей. Не надо думать, что такой материал просто создать или что этот эффект очевиден. Наоборот, к этому нужно относиться как к большому открытию, так как сейчас это обеспечивает лучший способ передачи информации. Нужно понимать, что материал волновода - это уникальная разработка и от его свойств зависит качество передачи данных и уровень помех; изоляция волновода разработана с учетом того, чтобы выход энергии наружу был минимален.

Что же касается конкретно технологии, называемой «мультиплексинг», то это означает, что вы одновременно передаете несколько длин волн. Между собой они не взаимодействуют, а при приеме или передаче информации интерференционные эффекты (наложение одной волны на другую) несущественны, так как наиболее сильно они проявляются при кратных длинах волн. Здесь же речь идет об использовании близких частот (частота обратно пропорциональна длине волны, поэтому все равно, о чем говорить). Устройство под названием «мультиплексор» - это аппарат для кодирования или декодирования информации в формат волн и обратно. После этого короткого введения перейдем уже к конкретному описанию технологии DWDM.

Основные характеристики мультиплексоров DWDM, которые отличают их от просто WDM-мультиплексоров:
использование только одного окна прозрачности 1550 нм, в пределах области усиления EDFA нм (EDFA - система оптического усиления; EDFA - оптический повторитель, он позволяет восстанавливать оптическую мощность сигнала, теряемую при прохождении по длинной линии, без преобразований в электрический сигнал и обратно. Оптическое волокно, легированное редко-земельным элементом эрбием, обладает способностью поглощать свет одной длины волны и испускать на другой длине волны. Внешний полупроводниковый лазер посылает в волокно инфракрасный свет с длиной волны 980 или 1480 миллимикрон, возбуждая атомы эрбия. Когда в волокно поступает оптический сигнал с длиной волны от 1530 до 1620 миллимикрон, возбужденные атомы эрбия излучают свет с той же длиной волны, что и входной сигнал. Исключение преобразований световых сигналов в электрические и обратно упрощает и удешевляет усилительную аппаратуру и позволяет не вносить дополнительных искажений при преобразованиях. Усилители EDFA применяют на «дальнобойных» линиях, где трудно установить сложную промежуточную усилительную аппаратуру (например, подводный кабель). Для справки скажем, что длина волны видимого света 400-800 нм.

Кроме того, поскольку само название говорит о плотной (dense) передаче каналов, то количество каналов больше, чем в обычных WDM-схемах, и достигает нескольких десятков. Из-за этого возникает потребность создать устройства, которые способны добавлять канал или извлекать его, в отличие от обычных схем, когда происходит кодирование или декодирование всех каналов сразу. С такими устройствами, работающими с одним каналом из многих, связывается понятие пассивной маршрутизации по длинам волн. Также понятно, что работа с большим числом каналов требует большей точности устройств кодирования и декодирования сигнала и предъявляет более высокие требования к качеству линии. Отсюда очевидное повышение стоимости устройств - при одновременном снижении цены за передачу единицы информации из-за того, что теперь ее можно передавать в большем объеме.
Вот как происходит работа демультиплексора с зеркалом (схема на рис. 1а). Приходящий мультиплексный сигнал попадает на входной порт. Затем этот сигнал проходит через волновод-пластину и распределяется по множеству волноводов, представляющих собой дифракционную структуру AWG (arrayed waveguide grating). По-прежнему сигнал в каждом из волноводов остается мультиплексным, а каждый канал - представленным во всех волноводах, то есть пока что произошло лишь распараллеливание. Далее происходит отражение сигналов от зеркальной поверхности, и в итоге световые потоки вновь собираются в волноводе-пластине, где происходит их фокусировка и интерференция. Это приводит к образованию интерференционной картины с пространственно разнесенными максимумами, причем обычно расчет геометрии пластины и зеркала делают так, чтобы эти максимумы совпадали с выходными полюсами. Мультиплексирование происходит обратным путем.

Рис. 1. Схемы DWDM-мультиплексоров: а) с отражающим элементом; б) с двумя волноводами-пластинами

Другой способ построения мультиплексора базируется не на одной, а на паре волноводов-пластин (рис. 1б). Принцип действия такого устройства аналогичен предыдущему случаю, за исключением того, что здесь для фокусировки и интерференции используется дополнительная пластина.
DWDM-мультиплексоры, являясь чисто пассивными устройствами, вносят большое затухание в сигнал. Например, потери для устройства (см. рис. 1а), работающего в режиме демультиплексирования, составляют 10-12 дБ, при дальних переходных помехах менее –20 дБ и полуширине спектра сигнала 1 нм (по материалам Oki Electric Industry). Из-за больших потерь часто возникает необходимость установления оптического усилителя перед DWDM-мультиплексором и/или после него.
Самым важным параметром в технологии плотного волнового мультиплексирования, бесспорно, является расстояние между соседними каналами. Стандартизация пространственного расположения каналов нужна уже хотя бы потому, что на ее основе можно будет начинать проведение тестов на взаимную совместимость оборудования разных производителей. Сектор по стандартизации телекоммуникаций Международного союза по электросвязи ITU-T утвердил частотный план DWDM с расстоянием между соседними каналами 100 ГГц, что соответствует разнице длин волн в 0,8 нм. Еще обсуждается вопрос о передаче информации с разницей в длинах волн 0,4 нм. Казалось бы, разницу можно сделать и еще меньшей, добившись тем самым большей пропускной способности, но при этом возникают чисто технологические трудности, связанные с изготовлением лазеров, генерирующих строго монохроматический сигнал (постоянной частоты без помех), и дифракционных решеток, которые разделяют в пространстве максимумы, соответствующие различным длинам волн. При использовании разделения 100 ГГц все каналы равномерно заполняют используемый диапазон, что удобно при настройке оборудования и его переконфигурации. Выбор интервала разделения определяется необходимой пропускной способностью, типом лазера и степенью помех на линии. Однако нужно учитывать, что при работе даже в столь узком диапазоне (нм) влияние нелинейных помех на границах этой области весьма существенно. Этим объясняется тот факт, что с увеличением числа каналов необходимо увеличивать мощность лазера, но это, в свою очередь, приводит к снижению отношения «сигнал/шум». В результате использование более жесткого уплотнения пока не стандартизовано и находится в стадии разработки. Еще один очевидный минус увеличения плотности - уменьшение расстояния, на которое сигнал может быть передан без усиления или регенерации (чуть подробнее об этом будет сказано ниже).
Отметим, что упомянутая выше проблема нелинейности присуща системам усиления, основанным на кремнии. Сейчас разрабатываются более надежные фтор-цирконатные системы, обеспечивающие большую линейность (во всей области нм) коэффициента усиления. С увеличением рабочей области EDFA становится возможным мультиплексирование 40 каналов STM-64 с интервалом 100 ГГц общей емкостью 400 ГГц в расчете на волокно (рис. 2).



Рис. 2. Спектральное размещение каналов в волокне

В таблице приведены технические характеристики одной из мощных мультиплексных систем, использующих частотный план 100/50 ГГц, производства фирмы Ciena Corp.


Системный уровень

Емкость, Гбит/c

каналов по 2,5 Гбит/с)

OC-48/(STM-16)/OC-48c/STM-16c

Частотный план

Возможные конфигурации

5 пролетов по 25 дБ -(500 км) 2 пролета по 33 дБ -(240 км)

Системная частота появления ошибок (BER)

Канальные интерфейсы

Короткие/промежуточные дистанции, STM-16/G.957 I-16 & S.16.1, внутриофисные приложения

Уровень входного сигнала, дБм

от -18 до -3

Уровень выходного сигнала, дБм

Длина волны вводимого излучения, нм

Сетевое управление

Система управления

WaveWatch производства CIENA по SNMP или TMN

Стандартный интерфейс

VT100(TM), асинхронный RS-232, удаленный доступ через Telnet, ITU TMN, TL-1, SNMP

Мониторинг работоспособности каналов

Канальные битовые ошибки через B1 заголовка SDH, контроль оптической мощности в каждом канале

Удаленные интерфейсы

RS-422/X.25 (TL-1 интерфейс), IP/802.3 через 10Base-T

Оптический служебный канал

2,048 Мбит/с на длине волны 1625 нм

Характеристики по питанию

Напряжение питания, В, постоянный ток

от -48 до -58

Потребляемая мощность при 40 каналах, Вт

800 типичное, 925 (максимум) - стойка 1, 1000 типичное,1250 (максимум) - стойка 2

Остановимся подробнее на системе оптического усиления. В чем состоит проблема? Изначально сигнал генерируется лазером и отправляется в волокно. Он распространяется по волокну, претерпевая изменения. Основным изменением, с которым нужно бороться, является рассеяние сигнала (дисперсия). Оно связано с нелинейными эффектами, возникающими при прохождении волнового пакета в среде и очевидным образом объясняется сопротивлением среды. Тем самым возникает проблема передачи на большие расстояния. Большие - в смысле сотен или даже тысяч километров. Это на 12 порядков больше длины волны, поэтому не удивительно, что даже если нелинейные эффекты малы, то в сумме на таком расстоянии с ними нужно считаться. Плюс к тому нелинейность может быть в самом лазере. Есть два способа добиться уверенной передачи сигнала. Первый - это установка регенераторов, которые будут принимать сигнал, декодировать его, генерировать новый сигнал, полностью идентичный пришедшему, и отправлять его дальше. Этот метод эффективен, но такие устройства являются весьма дорогими, и увеличение их пропускной способности или добавление новых каналов, которые они должны обрабатывать, связано с трудностями по переконфигурации системы. Второй способ - это просто оптическое усиление сигнала, полностью аналогичное усилению звука в музыкальном центре. В основе такого усиления лежит технология EDFA. Сигнал не декодируется, а лишь наращивается его амплитуда. Это позволяет избавиться от потерь скорости в узлах усиления, а также снимает проблему добавления новых каналов, так как усилитель усиливает все в заданном диапазоне

На основе EDFA потери мощности в линии преодолеваются путем оптического усиления (рис. 3). В отличие от регенераторов такое «прозрачное» усиление не привязано к битовой скорости сигнала, что позволяет передавать информацию на более высоких скоростях и наращивать пропускную способность до тех пор, пока не вступают в силу другие ограничивающие факторы, такие как хроматическая дисперсия и поляризационная модовая дисперсия. Также усилители EDFA способны усиливать многоканальный WDM-сигнал, добавляя еще одно измерение в пропускную емкость.


Рис. 3. Оптические системы связи на основе: а) каскада регенерационных повторителей; б) каскада оптических усилителей EDFA

Хотя оптический сигнал, генерируемый исходным лазерным передатчиком, имеет вполне определенную поляризацию, все остальные узлы на пути следования оптического сигнала, включая оптический приемник, должны проявлять слабую зависимость своих параметров от направления поляризации. В этом смысле оптические усилители EDFA, характеризуясь слабой поляризационной зависимостью коэффициента усиления, имеют ощутимое преимущество перед полупроводниковыми усилителями. На рис. 3 приведены схемы работы обоих методов.
В отличие от регенераторов оптические усилители вносят дополнительный шум, который необходимо учитывать. Поэтому, наряду с коэффициентом усиления, одним из важных параметров EDFA является коэффициент шума. Технология EDFA более дешевая, по этой причине она чаще используется в реальной практике.

Поскольку EDFA, по крайней мере по цене, выглядит привлекательнее, давайте разберем основные характеристики этой системы. Это мощность насыщения, характеризующая выходную мощность усилителя (она может достигать и даже превосходить 4 Вт); коэффициент усиления, определяемый как отношение мощностей входного и выходного сигналов; мощность усиленного спонтанного излучения определяет уровень шума, который создает сам усилитель. Здесь уместно привести пример музыкального центра, где можно проследить аналогии по всем этим параметрам. Особенно важен третий (уровень шума), и желательно, чтобы он был как можно меньшим. Используя аналогию, вы можете попробовать включить музыкальный центр, не запуская никакого диска, но при этом повернуть ручку громкости до максимума. В большинстве случаев вы услышите некоторый шум. Этот шум создается системами усиления просто потому, что на них подается питание. Аналогично в нашем случае возникает спонтанное излучение, но поскольку усилитель рассчитан на испускание волн в определенном диапазоне, то фотоны именно этого диапазона будут с большей вероятностью испускаться в линию. Тем самым будет создаваться (в нашем случае) световой шум. Это накладывает ограничение на максимальную длину линии и количество оптических усилителей в ней. Коэффициент же усиления обычно подбирается такой, чтобы восстановить изначальный уровень сигнала. На рис. 4 приведены сравнительные спектры выходного сигнала при наличии и отсутствии сигнала на входе.

Рис. 4. Выходной спектр EDFA, снятый спектральным анализатором (ASE - спектральная плотность шума)

Еще одним параметром, который удобно использовать при характеристике усилителя, является шум-фактор - это соотношение параметров «сигнал/шум» на входе и выходе усилителя. В идеальном усилителе такой параметр должен быть равен единице.
Для усилителей EDFA существует три способа применения: предусилители, линейные усилители и усилители мощности. Первые устанавливаются непосредственно перед приемником. Это делается для увеличения отношения «сигнал/шум», что обеспечивает возможность использования более простых приемников и может снизить цену оборудования. Линейные усилители имеют своей целью простое усиление сигнала в протяженных линиях или в случае разветвления таких линий. Усилители мощности используются для усиления выходного сигнала непосредственно после лазера. Это связано с тем, что мощность лазера тоже ограничена и иногда легче просто поставить оптический усилитель, чем устанавливать более мощный лазер. На рис. 5 схематически показаны все три способа применения EDFA.

Рис. 5. Применение разных типов оптических усилителей

Помимо описанного выше прямого оптического усиления, в настоящее время готовится к выходу на рынок усиливающее устройство, использующее для этих целей эффект рамановского усиления и разработанное в лабораториях Белла (Bell Labs). Суть эффекта заключается в том, что из точки приема навстречу сигналу посылается лазерный луч определенной длины волны, который раскачивает кристаллическую решетку волновода таким образом, что она начинает излучать фотоны в широком спектре частот. Тем самым общий уровень полезного сигнала поднимается, что позволяет несколько увеличить максимальное расстояние. Сегодня это расстояние составляет 160-180 км, по сравнению с 70-80 км без рамановского усиления. Эти устройства производства Lucent Technologies появятся на рынке в начале 2001 года.

То, о чем было рассказано выше, является технологией. Теперь несколько слов о реализациях, которые уже существуют и активно используются на практике. Во-первых, отметим, что применение оптоволоконных сетей - это не только Интернет и, может быть, не столько Интернет. По оптоволоконным сетям можно передавать голос и телеканалы. Во-вторых, скажем, что существует несколько разных типов сетей. Нас интересуют магистральные сети дальней связи, а также локализованные сети, например внутри одного города (так называемые метрополитен-решения). При этом для магистральных каналов связи, где отлично работает правило «чем толще труба, тем лучше», технология DWDM является оптимальным и обоснованным решением. Другая ситуация складывается в городских сетях, в которых запросы по передаче трафика не столь велики, как у магистральных каналов. Здесь операторы используют старый добрый транспорт на основе SDH/SONET, работающий в диапазоне длин волн 1310 нм. В этом случае для решения проблемы недостаточной пропускной способности, которая, кстати, для городских сетей пока стоит не очень остро, можно использовать новую технологию SWDM, которая является своеобразным компромиссом между SDH/SONET и DWDM (подробнее о технологии SWDM читайте на нашем CD-ROM). В соответствии с этой технологией одни и те же узлы волоконно-оптического кольца поддерживают и одноканальную передачу данных на длине волны 1310 нм, и спектральное уплотнение в диапазоне 1550 нм. Экономия достигается за счет «включения» дополнительной длины волны, для чего требуется добавить модуль в соответствующее устройство.

DWDM и трафик

Одним из важных моментов при использовании технологии DWDM является передающийся трафик. Дело в том, что большинство оборудования, существующего в настоящее время, поддерживает передачу только одного типа трафика на одной длине волны. В результате нередко возникает ситуация, когда трафик не до конца заполняет оптоволокно. Таким образом по каналу с формальной пропускной способностью, эквивалентной, например, STM-16, передается менее «плотный» трафик.
В настоящее время появляется оборудование, реализующее полную загрузку длин волн. При этом одна длина волны может быть «наполнена» разнородным трафиком, скажем, TDM, ATM, IP. В качестве примера можно привести оборудование семейства Chromatis производства Lucent Technologies, которое может передавать на одной длине волны все типы трафика, поддерживаемые интерфейсами ввода/вывода. Это достигается за счет встроенных кросс-коммутатора TDM и коммутатора АТМ. Причем дополнительный коммутатор АТМ не является ценообразующим. Другими словами, дополнительная функциональность оборудования достигается практически при той же стоимости. Это позволяет прогнозировать, что будущее - за универсальными устройствами, способными передавать любой трафик с

оптимальным использованием полосы пропускания.

DWDM завтра

Плавно перейдя к тенденциям развития этой технологии, мы наверняка не откроем Америки, если скажем, что DWDM является наиболее перспективной оптической технологией передачи данных. Это можно связывать в большей мере с бурным ростом Интернет-трафика, показатели роста которого приближаются к тысячам процентов. Основными же отправными точками в развитии станут увеличение максимальной длины передачи без оптического усиления сигнала и реализация большего числа каналов (длин волн) в одном волокне. Сегодняшние системы обеспечивают передачу 40 длин волн, что соответствует 100-гигагерцевой сетке частот. На очереди к выходу на рынок устройства с 50-гигагерцевой сеткой, поддерживающие до 80 каналов, что соответствует передаче терабитных потоков по одному волокну. И уже сегодня можно услышать заявления лабораторий фирм-разработчиков, таких как Lucent Technologies или Nortel Networks, о скором создании 25-гигагерцевых систем.
Однако, несмотря на столь бурное развитие инженерной и исследовательской мысли, рыночные показатели вносят свои коррективы. Прошедший год ознаменовался серьезным падением оптического рынка, что подтверждается существенным падением курса акций Nortel Networks (29% за один день торгов) после объявления ею о трудностях со сбытом своей продукции. В аналогичной ситуации оказались и другие производители.
В то же время, если на западных рынках наблюдается некоторое насыщение, то восточные только начинают разворачиваться. Наиболее ярким примером служит рынок Китая, где десяток операторов национального масштаба наперегонки строят магистральные сети. И если «у них» вопросы построения магистральных сетей уже практически решены, то в нашей стране, как это ни печально, пока просто нет необходимости в толстых каналах для передачи собственного трафика. Тем не менее прошедшая в начале декабря выставка «Ведомственные и корпоративные сети связи» выявила огромный интерес отечественных связистов к новым технологиями , и к DWDM в том числе. И если такие монстры, как «Транстелеком» или «Ростелеком», уже имеют транспортные сети масштаба государства, то нынешние энергетики только начинают их строить. Так что, несмотря на все неурядицы, за оптикой - будущее. И немалую роль здесь сыграет DWDM.

Литература

1. http://www. *****/production. php4?&rubric97

2. Журнал КомпьютерПресс №1 2001

Оптоволокно (оптика, стекло, отическое волокно, fiber ) - одно из самых современных и надежных сред передачи данных при прокладке и настройке ЛВС. Она представляет собой многопарный кабель, состоящих из жил - обернутых в специальную оплетку. Жилы производятся из специального полимера - и сделаны таким образом - что ее "стенки" получаются идеально гладкими.

Передача данных в оптоволокне производится с помощью света - как известно - одной из самых быстрых материй во Вселенной. электрический сигнал медного кабеля проходит через специальный конвертер и превращается в свет. Каждая жила оптики подобна стеклянной трубе в зеркальной трубе. (Полимер разной плотности. Напр 9/125 микрон ) Свет, проникая в нее - отражается от стыка границ жил жилы и летит все дальше. В конце путешествия он принимается приемным устройством и обратно перекодируется в электрический сигнал.

Тем не менее, передача данных по оптоволокну осуществляется медленнее скорости света (~1млрд.км/ч). По причине того что микролазеры, использующиеся для передачи света по оптоволокну не производят свет с такой скоростью. А также по причине потерь в результате преломления лучей.

Скорость затухания сигнала в оптоволокне различается в зависимости от типа оптической жилы. Так многомодовый кабель (50/125, 62/125 ) позволяет передавать сигнал на 2-3 километра без существенных потерь. Одномодовый кабель (9/125 ) - работает на расстоянии до 10км. Скорее всего многое зависит от материала, который используется при производстве кабелей. Указанные длины соответствуют кабелям из современных полимеров. Скорее всего, жила из более плотного материала позволит передавать свет на более длинные расстояния. Также, все зависит о источника сигнала. Соответственно - чем он мощнее, тем дальше "полетит" свет.


Оптоволокно используется во многих сферах промышленности - равно как и в быту. Во-первых, оптический кабель является диэлектриком, что делает его безопасным при передаче данных на нефтепроизводствах и других взрывоопасных объектах.

Во-вторых, по этой же самой причине оптика крайне незначительно накапливает статическое электричество. Величины настолько малы - что их даже не принято учитывать. Соответственно, оптоволоконные кабели могут использоватся в сетях на различных объектах, связанных с высокими напряжениями.

Оптико-волоконные кабели могут быть уложены в воду, в землю в агресивную среду - при использовании специальных оболочек. Тем не менее, основное назначении оптики - передача данных на длинные расстояния.

На границе возможностей оптического кабеля ставится специальное устройство - репитер, увеличивающий расстояние на очередную длину. При соединении оптоволокна используются оптические муфты, в которых волокна свариваются между собой.

Сейчас, при стоимости метра оптики равной стоимости витой пары, можно говорить о строительстве сетей полностью на ней. Но это не значит что ее монтаж можно поручить низкоквалифицированным монтажникам.

Обычно, в любой компании - производящей монтаж кабельных оптических сетей - проектированием монтажом оптических сетей занимается отдельная бригада, - а то и целый отдел. Это связано с различными особенностями при монтаже оптики.

Например, оптический кабель нельзя сгинать под углами менее 110-120 градусов. Монтаж оптоволокна желательно производить в гофрированной трубе - в связи с невысокой прочностью обычного оптического кабеля. Его несложно порвать.

Чаще всего прокладка оптики производится в отдельный канал. И так далее - подобных тонкостей работы при работе с такого рода кабелями довольно много. Кроме того - отдельного раздела заслуживает способ соединения и терминирование оптоволокна.

Кабель терминируется на специальные соеденители - коннекторы. Их бывает несколько видов.


Для соединения ( сварки ) оптических кабелей необходимо специальное дорогостоящее устройство - сварочный аппарат. Стоимость качественного аппарата начинается от 150 000 рублей. Сейчас рынок наводнен недорогими китайскими решениями за 30-40 тысяч рублей, но использование таких аппаратов производит низкокачественные соединения. К тому же - такие аппараты быстро выходят из строя.

Качественный аппарат спокойно производит около 2000 ссварок, после чего в нем меняются электроды и он продолжает работать дальше. Довольно популярен рынок б/у аппаратов. Надеюсь, в дальнейшем мы сделаем целую статью про то, как сваривать оптический кабель. А пока -

Воспользуйтесь услугами нашей компании по монтажу оптических трасс, сварке оптики и проведения сертификации. Подать заявку можно , либо по телефону компании через менеджера .

возникла возможность перенести в оптический диапазон разнообразные средства и принципы получения, обработки и передачи информации, разработанные для радиодиапазона. Огромный рост объёмов передаваемой информации и вместе с тем практически полное исчерпание ёмкости радиодиапазона придали проблеме освоения оптического диапазона в целях связи исключительную важность. Основные преимущества Оптическая связь по сравнению со связью на радиочастотах, определяемые высоким значением оптической частоты (малой длиной волны): большая ширина полосы частот для передачи информации, в 10 4 раз превышающая полосу частот всего радиодиапазона, и высокая направленность излучения при входных и выходных апертурах , значительно меньших апертур антенн в радиодиапазоне. Последнее достоинство Оптическая связь позволяет применять в передатчиках оптических систем связи генераторы с относительно малой мощностью и обеспечивает повышенную помехозащищенность и скрытность связи.

Структурно линия Оптическая связь аналогична линии радиосвязи . Для модуляции излучения оптического генератора либо управляют процессом генерации, воздействуя на источник питания или на оптический резонатор генератора, либо применяют дополнительные внешние устройства, изменяющие выходное излучение по требуемому закону (см. Модуляция света ). При помощи выходного оптического узла излучение формируется в малорасходящийся луч, достигающий входного оптического узла, который фокусирует его на активную поверхность фотопреобразователя. С выхода последнего электрические сигналы поступают в узлы обработки информации. Выбор несущей частоты в системе Оптическая связь - сложная комплексная задача, в которой должны учитываться условия распространения оптического излучения в среде передачи, технические характеристики лазеров, модуляторов, приёмников света , оптических узлов. В системах Оптическая связь находят применение два способа приёма сигналов - прямое детектирование и гетеродинный приём. Гетеродинный метод приёма, обладая рядом преимуществ, главные из которых - повышенная чувствительность и дискриминация фоновых помех, в техническом отношении много сложнее прямого детектирования. Серьёзным недостатком этого метода является существенная зависимость величины сигнала на выходе фотоприёмника от характеристик трассы.

В зависимости от дальности действия системы Оптическая связь можно разделить на следующие основные классы: открытые наземные системы ближнего радиуса действия, использующие прохождение излучения в приземных слоях атмосферы; наземные системы, использующие закрытые световодные каналы (волоконные световоды , светонаправляющие зеркально-линзовые структуры) для высокоинформативной связи между АТС, ЭВМ, для междугородной связи; высокоинформативные линии связи (главным образом ретрансляционные), действующие в ближнем космическом пространстве; дальние космические линии связи.

В СССР и за рубежом накоплен определённый опыт работы с открытыми линиями Оптическая связь в приземных слоях атмосферы с использованием лазеров. Показано, что сильная зависимость надёжности связи от атмосферных условий (определяющих оптическую видимость) на трассе распространения ограничивает применение открытых линий Оптическая связь относительно малыми расстояниями (несколько километров) и лишь для дублирования существующих кабельных линий связи, использования в малоинформативных передвижных системах, системах сигнализации и т.п. Однако открытые линии Оптическая связь перспективны как сродство связи между Землёй и космосом. Например, с помощью лазерного луча можно передавать информацию на расстояние ~10 8 км со скоростью до 10 5 бит в сек , в то время как микроволновая техника при этих расстояниях обеспечивает скорость передачи только ~10 бит в сек . В принципе, Оптическая связь в космосе возможна на расстояниях до 10 10 км , что немыслимо для иных систем связи; однако построение космических линий Оптическая связь технически весьма сложно.

В земных условиях наиболее перспективны системы Оптическая связь , использующие закрытые световодные структуры. В 1974 показана возможность изготовления стеклянных световодов с затуханием передаваемых сигналов не более нескольких дб /км . При современном уровне техники, используя полупроводниковые диодные излучатели, работающие как в лазерном (когерентном), так и в некогерентном режимах, кабели со световолоконными жилами и полупроводниковые приёмники, можно построить магистрали связи на тысячи телефонных каналов с ретрансляторами, располагаемыми на расстояниях около 10 км друг от друга. Интенсивные работы по созданию лазерных излучателей со сроками службы ~10-100 тыс. ч , разработка широкополосных высокочувствительных приёмных устройств, более эффективных световодных структур и технологии изготовления световодов большой протяжённости, по-видимому, сделают Оптическая связь конкурентоспособной со связью по существующим кабельным и релейным магистралям уже в ближайшем десятилетии. Можно ожидать, что Оптическая связь займёт важное место в общегосударственной сети связи наряду с др. средствами. В перспективе системы Оптическая связь со световодными линиями по своим информационным возможностям и стоимости на единицу информации могут стать основным видом магистральной и внутригородской связи.

Лит.: Чернышев В. Н., Шереметьев А. Г., Кобзев В. В., Лазеры в системах связи, М., ; Пратт В. К., Лазерные системы связи, пер. с англ., М., 1972; Применение лазеров, пер. с англ., М., 1974.

А. В. Иевский, М. Ф. Стельмах.

Статья про слово "Оптическая связь " в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 7148 раз

ОПТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ - передача информации с помощью эл--магн. воли оптич. диапазона. Идея О. с. известна человечеству давно (обыкновенные костры, с кон. 18 в. семафорная азбука), однако лишь с созданием лазеров появилась реальная возможность построения широкополосных систем О. с.
Особенностью оптич. ннформац. систем является большая пропускная способность, обусловленная высоким значением несущей частоты, и, следовательно, возможность передачи больших объёмов информации с большой скоростью (с) . Малая угл. расходимость лазерного луча обеспечивает пространств. скрытность и высокую энергетич. помехоустойчивость передачи информации по оптич. каналу связи при малых габаритах приёмопередающих устройств.

Физическая модель системы О. с . состоит в том, что информац. сигнал в кодирующем устройстве преобразуется в вид, удобный для модуляции, затем поступает в подмодулятор-усилитель и далее в цепь возбуждения модулятора. С помощью внеш. или внутр. модулятора осуществляется модуляция амплитуды, интенсивности, частоты, фазы или сигнала несущей частоты в соответствии с информац. сигналом (см. Модуляция света ).Затем модулиров. лазерный луч коллимируется оптич. системой и посылается на объект. С помощью приёмной оптич. системы сигнал фокусируется на фотоприёмник, выходной электрич. сигнал к-рого обрабатывается далее с целью выделения информац. сигнала. Возможны два способа приёма оптич. сигнала - прямое детектирование и гетеродинный приём. В гетеродинных приёмных системах и в системах связи на поднесущей частоте сигнал преобразуется или переносится в НЧ-область.
Оптич. системы связи делятся на открытые - наземные или космические, и закрытые - световодные. Оптич. линии связи в атмосфере сильно зависят от метеоусловий, от наличия пыли, дыма и др. включений. Турбулентные явления в атмосфере приводят к флуктуациям показателя преломления среды и, следовательно, к искажениям луча и флуктуациям угла прихода на фотоприёмник.
Высокая степень лазерного излучения позволяет использовать помехоустойчивые методы модуляции - частотную, фазовую и поляризац. модуляцию. Известны системы О. с. с применением поляризац. модуляции излучения непрерывных газовых лазеров (лазер Не - Ne с - 0,03 мкм и СО 2 -лазер с - 10,6 мкм) для передачи как аналоговой, так и цифровой информации. Для передачи последней напб. удобна интенсивности полупроводниковых лазеров током накачки.
Дальность действия линии О. с. в наземных условиях ограничена пределами прямой видимости. Однако можно осуществлять загоризонтнуго связь, используя атмосферой - лазерные линии связи с атм. каналом рассеяния.
Среди открытых линий связи перспективны линии связи Земля - космос и космос - космос, где на больших расстояниях (напр., 1,6 х 10 8 км до планеты Марс) необходимо передавать большой объём информации с большой скоростью (10 6 бит/с).

Закрытые линии связи . В земных условиях наиб. перспективны закрытые волоконно-оптич. линии связи (ВОЛС). Малое затухание оптич. сигналов в одномодовых волоконных световодах на основе кварцевого стекла (см. Волоконная оптика )и ряд их принципиальных преимуществ перед проводной связью дают возможность широкого использования их в протяжённых линиях связи.
Многомодовые ВОЛС имеют принципиальные ограничения по протяжённости и по скорости передачи цифровой информации, определяемые затуханием и уширением импульсов оптич. сигналов. Последнее обусловлено модовой и хроматич. дисперсиями многомодового оптич. волокна. Использование одномодовых волоконных световодов с малым затуханием (0,2 дБ/км) совместно с полупроводниковыми лазерами, работающими с мин. шириной спектра излучения, позволяет свести к минимуму влияние дисперсии на =1,3 мкм и передавать цифровую информацию с высокой скоростью и на большие расстояния.
Параметром для оценки возможностей высокоскоростной передачи информации является произведение скорости передачи информации на расстояние. Для одномодовых ВОЛС на длине волны излучения 1,55 мкм этот параметр может превышать 200 (Гбит/с)-км.
Специфич. особенностью систем О. с. в сравнении с радиотехн. системами является ограниченная величина энергетич. потенциала - отношение мощности источника излучения к мощности оптич. сигнала, поступающей с выхода волоконной линии в фотоприёмник и необходимой для регистрации сигнала с требуемой вероятностью ошибки (не более 10 -9).
Для выделения информац. сигнала на приёмник должно поступать определённое число фотонов. При увеличении скорости передачи информации и сохранении при этом одной и той же вероятности ошибки должна возрастать оптич. мощность, детектируемая фотоприёмником. Поэтому актуальной задачей является разработка волоконных световодов с малым затуханием и эфф. систем ввода и вывода излучения из световода.
Наряду с быстродействием и помехозащищённостью волоконные линии передачи сигналов информации должны обладать достоверностью и стабильностью метрологич. характеристик. Это практически исключает использование в ВОЛС амплитудной модуляции, т. к. величина сигнала на выходе линии связи зависит от обстановки в линии связи, в частности от затухания. Кроме того, деградация со временем излучателей и приёмников, температурные эффекты и др. факторы могут приводить к ухудшению качества связи. Наиб. перспективной является передача цифровой информации с помощью импульсных методов модуляции.
Разработка долгоживущих (~10 4 ч) полупроводниковых лазеров с=1,3 мкм и полосой частот модуляции до 10 ГГц, широкополосных высокочувствит. фотоприёмных устройств, а также световодов с малыми потерями приведёт к доминирующему положению О. с. уже в ближайшее время.
В наст. время (90-е гг.) построены и успешно эксплуатируются многочисл. волоконные линии О. с. Перспективно применение ВОЛС для кабельного телевидения, передачи информации в вычислит. технике и системах спец. внутриобъектовой связи, межконтинентальных линиях связи.
Развитие линий О. с. связано с развитием интегральной оптики . Использование пленарных волноводных модуляторов, переключателей, ответвителей, фильтров и т. д. позволит создать быстродействующие, широкополосные, эфф. линии О. с. для высокоскоростной передачи информации.

Лит.: Пратт В., Лазерные системы связи, пер. с англ., М., 1972; Волоконно-оптическая связь. Приборы, схемы и системы, пер. с англ., М., 1982; Оптические системы передачи информации по атмосферному каналу, М., 1985; Xинрикус X. В., Шумы в лазерных информационных системах М., 1987; Техника оптической связи. Фотоприемники, пер. с англ., М., 1988; Гауэр Д., Оптические системы сплин пер. с англ., М., 1989.

Ю. В. Попов, В. Б. Волконский .



top