Принцип преобразования и передачи информации по оптоволокну
Современные линии связи, предназначенные для передачи информации на большие расстояния, часто представляют собой именно волоконно-оптические линии, в силу достаточно высокой эффективности данной технологии, которую она на протяжении многих лет успешно демонстрирует, например — в качестве средства обеспечения широкополосного доступа в Интернет.
Само волокно состоит из стеклянной сердцевины, окруженной оболочкой с меньшим чем у сердцевины показателем преломления. Световой луч, отвечающий за передачу информации по линии, распространяется по сердцевине волокна, отражается на своем пути от оболочки, и таким образом не выходит за пределы передающей линии.
Источником света для формирования луча обычно служит диодный или полупроводниковый лазер, тогда как само волокно, в зависимости от диаметра сердцевины и распределения показателя преломления, может быть одномодовым или многомодовым.
Оптическое волокно в линиях связи превосходит электронные средства связи, позволяя с высокой скоростью и без потерь транслировать цифровые данные на огромные расстояния.
Принципиально оптоволоконные линии могут образовывать самостоятельную сеть, либо служить для объединения уже существующих сетей — участков магистралей оптических волокон, объединенных физически на уровне световода, либо логически — на уровне протоколов передачи данных.
Скорость передачи данных по ВОЛС может измеряться сотнями гигабит в секунду, как например стандарт 10 Гбит Ethernet, используемый на протяжении многих лет в современных телекоммуникационных структурах.
Годом изобретения оптоволокна считается 1970-й, когда Питер Шульц, Дональд Кек и Роберт Маурер — ученые из компании Corning — изобрели оптическое волокно с низким уровнем потерь, открывшее возможность дублировать проводную передающую систему телефонного сигнала без использования ретрансляторов. Разработчики создали проводник, позволяющий сохранить 1% мощности оптического сигнала на расстоянии 1 километра от источника.
Для технологии это был переломный момент. Изначально линии были рассчитаны на одновременную передачу сотен световых фаз, позже было разработано однофазное волокно большей производительности, способное сохранять сигнал целостным на большем расстоянии. Однофазное волокно с нулевым смещением длины волны, с 1983 года и по сей день, является наиболее востребованным типом оптоволокна.
Для передачи данных через оптоволокно, сигнал должен быть сначала преобразован из электрического вида в оптический, затем передан по линии, а после — преобразован в приемнике обратно в электрический. Все устройство называется приемопередатчиком, и включает в себя не только оптические, но и электронные компоненты.
Итак, первый элемент волоконно-оптической линии — оптический передатчик. Он преобразует последовательность данных, подаваемых в электрической форме — в оптический поток. В передатчик входят: параллельно-последовательный преобразователь с синтезатором синхроимпульсов, драйвер и источник оптического сигнала.
Источником оптического сигнала может выступать лазерный диод или светодиод. В системах телесвязи обычные светодиоды не используются. Ток смещения и модулирующий ток для прямого модулирования лазерного диода подается с лазерного формирователя. Далее уже свет подается через оптический соединитель — в волокно оптического кабеля.
На другой стороне линии сигнал и синхросигнал обнаруживаются оптическим приемником (прежде всего — фотодиодным датчиком), где они преобразуются в электрический сигнал, который усиливается, а затем восстанавливается форма переданного сигнала. В частности, поток последовательных данных может быть преобразован в параллельный.
За преобразование асимметричного тока с фотодиодного датчика в напряжение, за его последующее усиление и преобразование в дифференциальный сигнал, — отвечает предусилитель. Микросхема синхронизации и восстановления данных восстанавливает синхросигналы и их тактирование из принимаемого потока данных.
Мультиплексор с разделением времени позволяет достичь скорости передачи данных до 10 Гб/сек. Так, сегодня существуют следующие стандарты скорости передачи данных по оптоволоконным системам:
Еще больше повысить плотность передачи данных позволяют спектральное уплотнение и мультиплексное разделение длины волны, когда несколько мультиплексных потоков данных посылаются по одному каналу, но каждый поток на своей длине волны.
Одномодовое волокно отличается достаточно малым внешним диаметром сердечника — около 8 мкм. Такое волокно позволяет распространять через себя один единственный луч конкретной частоты, соответствующей характеристикам данного волокна. Когда луч идет один, исчезает проблема межмодовой дисперсии, в результате повышается производительность линии.
Плотность распределения материала может быть градиентной или ступенчатой. Градиентное распределение позволяет добиться более высокой производительности. Одномодовая технология тоньше и дороже многомодовой, но именно одномодовая технология применяется в настоящее время в телекоммуникациях.
Многомодовое волокно позволяет одновременно распространять несколько лучей, вводимых в него для передачи под разными углами. Диаметр сердцевины обычно составляет 50 или 62,5 мкм, так что ввод оптического излучения облегчается. Стоимость приемо-передатчиков ниже чем для одномодовых.
Именно многомодовое оптоволокно хорошо подходит для небольших домашних и локальных сетей. Явление межмодовой дисперсии считается главным недостатком многомодового оптоволокна, так что для снижения этого вредного явления специально были разработаны волокна с градиентным показателем преломления, чтобы лучи распространялись по параболическим траекториям, и разность их оптических путей была меньше. Так или иначе, пропускная способность у одномодовой технологии все равно остается выше.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Как это работает. Оптоволокно
В современном мире оптоволоконные кабели – одно из самых популярных средств передачи данных. Еще несколько десятилетий назад путешествие терабайтов информации по таким «стеклянным световодам» казалось бы настоящей магией. Современный человек сталкивается с данной технологией ежедневно. Скоростной интернет, цифровое телевидение, мобильная связь – все это стало возможным благодаря оптоволоконному кабелю.
Оптическое волокно продолжает активно использоваться в самых высокотехнологичных областях. К примеру, недавно специалисты холдинга «Швабе» Госкорпорации Ростех представили инновационное кварцевое оптоволокно , на основе которого можно создавать системы связи нового поколения для промышленности и транспорта. Про новинку «Швабе», а также об устройстве и принципе действия оптоволоконного кабеля – в нашем материале.
Первые «световоды»: история появления оптической связи
Использовать свет для передачи информации научились достаточно давно. Можно вспомнить оптический телеграф, который появился во Франции еще в XVIII веке. Тогда он был способен удивить своей невероятной скоростью – передать информацию на 200 км всего за пятнадцать минут. Кстати, известный русский изобретатель Иван Кулибин доработал данную технологию и буквально через год представил свою «дальнеизвещающую машину».
В 1824 году в России начала свою работу первая линия оптического телеграфа, а немного позже открылась линия связи Петербург-Варшава длиной 1200 км, по тем временам это мировой рекорд по протяженности. Отправку «оптической» телеграммы можно сравнить с современным Интернетом, за исключением скорости – около 20 минут занимала передача 45 условных сигналов из Петербурга в Варшаву.
Оптическая связь в современном понимании возникла в 1950-х годах, когда научились изготавливать тонкие двухслойные волокна из специальных прозрачных материалов. Изобретение лазеров в 1970-х сделало возможным построение волоконно-оптических линий передач. У нас в стране первая оптическая линия связи была запущена в 1977 году в Зеленограде. Кстати, советские технологии в этой области не отставали от лучших мировых аналогов. На первой европейской конференции по волоконно-оптической связи в 1976 году лидерами в отрасли были признаны СССР и Япония.
Проводник для света: принцип работы оптоволокна
Итак, свет можно использовать для передачи информации, и люди поняли это столетия назад. Вначале примитивный способ работал только на расстоянии прямой видимости, а потом оптоволокно позволило передать свет на много тысяч километров, и далеко не по прямой траектории. Но как это возможно? Ключевое слово в объяснении данного явления – преломление. Это и есть основа принципа действия оптоволокна – в нем свет многократно преломляется, оставаясь внутри. По аналогии с электричеством, текущем по металлическому проводу, оптическое волокно иногда называют «светопроводом».
Источником света в кабеле становится лазер. На другом конце кабеля свет ожидает приемное устройство, которое его обратно перекодирует в электрический сигнал. Происходит это очень быстро – лазер включается и выключается несколько миллиардов раз в секунду, передавая миллиарды бит данных. Для сравнения, самый популярный для компьютерных сетей восьмижильный кабель из четырех скрученных пар пропускает до 1000 мегабит в секунду, а оптоволоконный кабель по одной жиле – в три раза больше. Бесспорно, скорость – одно из главных преимуществ оптоволокна. И неудивительно, ведь свет – самое быстрое, что известно во Вселенной.
Само оптическое волокно представляет собой неполую прозрачную трубку, изготовленную из особого материала, обладающего свойствами стекла. Для этой цели ученые стали использовать кварцевое стекло. Несмотря на кажущуюся хрупкость стекла, оптическое волокно обладает особой гибкостью. Его можно даже скрутить в кольцо – на характеристиках кабеля это никак не отразится, и свет без проблем продолжит «бежать» по нему.
Со скоростью света: от метро до космоса
Недавно было представлено новое отечественное кварцевое оптоволокно с улучшенными характеристиками. Новинка – результат кооперации экспертов «Сколкова», холдинга «Швабе» и Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики.
Этот продукт обладает всеми достоинствами традиционного оптоволокна. Помимо малого веса, удобства монтажа и скорости, это еще и невосприимчивость к электромагнитным помехам – световой сигнал невозможно перехватить. У новинки «Швабе» есть и явное преимущество перед существующими аналогами – увеличенный до 100 мкм диаметр сердцевины, вместо типовых 50 мкм и 62,5 мкм, и специальный градиентный профиль показателя преломления. Это повышает надежность сети передачи данных без потери пропускной способности.
Инновационное оптоволокно в первую очередь рассчитано на кабельные системы, работающие в агрессивных условиях окружающей среды. Например, разработка будет применяться в составе бортовых кабельных систем – от поезда метро до самолетов, и даже космических кораблей.
События, связанные с этим
Как это работает. Лазерный гироскоп
Онлайн-доктор: разработки Ростеха для телемедицины
Основные технологии передачи оптических сигналов
Основные технологии передачи оптических сигналов. Как идет передача оптического сигнала. Технология передачи оптического сигнала в оптоволокне
4 comments
Волоконно-оптические технологии позволяют передавать информацию в виде световых волн по сверхтонким чистейшим световодам на большие расстояния. Достоинства ВОЛС очевидны, поэтому сегодня оптический кабель активно прокладывают для построения современных высокоскоростных сетей. Оптоволокно имеет широкую полосу пропускания, что позволяет передавать данные со скоростью несколько терабит в секунду. ВОЛС можно также охарактеризовать малым затуханием, устойчивостью к помехам и наводкам стороннего электромагнитного поля, что позволяет передавать информацию на большие расстояния без серьезных ухудшений сигнала.
Оптические сигналы передаются по волокнам, представляющим собой тончайшую нить из кварцевого стекла и являющимся важнейшим элементом ВОЛС. Прохождение световой волной пути по световоду зависит от типа волокна и его характеристик. По сути, оптическое волокно — это строение из сердцевины и оболочки, которые за счёт разности коэффициентов преломления позволяют волне проходить на большое расстояние с минимальным затуханием. Непосредственно удержание импульса внутри среды осуществляется за счёт того, что коэффициент преломления материала сердцевины больше, чем у оболочки.
Технология передачи оптического сигнала такова. Свет вводится в торец волокна под небольшим углом. При этом угол падения света должен быть меньше угла отражения, что приведёт к отражению от границ материалов сердечника и оболочки, а, значит, луч распространится внутри пространства световода. При невыполнении данного условия происходит полное преломление волны, соответственно сигнал не попадает в сердечник и не проходит путь.
Для осуществления передачи оптического сигнала по волокну нужен источник когерентного света, как правило, специально разработанные лазеры, позволяющие поддерживать постоянную разность фаз при одинаковой длине волн. Световые волны, передающиеся источником в световод, иначе называют модами. В зависимости от технологии передачи оптических сигналов и их распространении волокна подразделяют на одномодовые и многомодовые.
В одномодовых волокнах возможно соответственно прохождение только одной волны, в многомодовых – сразу нескольких. В последнем случае ввиду разности длин волн и траектории возникает модовая дисперсия, что приводит к ухудшению сигнала и уменьшению пропускной способности. Одномодовые же волокна в этом плане максимально правильно проводят волну и не имеют явления модовой дисперсии, однако их стоимость значительно выше многомодовых вариаций. В зависимости от параметров конкретной ВОЛС и требований, предъявляемых к ней, подбирается подходящий тип волокна.
Оптический кабель сегодня активно используется для передачи данных как в глобальных, так и в городских и локальных сетях. Волоконно-оптические технологии позволяют на максимальной скорости, недосягаемой для медных кабелей связи, передавать сигналы на большие расстояния.
Изначально оптический кабель применяли для прокладки сетей магистрального масштаба. Сейчас же доля оптоволокна в городских и внутриобъектовых локальных сетях значительно возросла, т.к. посредством ВОЛС возможно беспроблемное построение сетей LAN масштаба нескольких зданий и даже города. Набирает популярность и технология FTTH «оптоволокно до дома», в особенности во вновь строящихся зданиях. Сегодня цена на волоконно-оптический кабель и соответствующую аппаратуру уже не так высока, как раньше, а значит технологии передачи оптических сигналов стали доступны для большинства сфер человеческой деятельности.
- Технологии, Блог, Силовой кабель, Монтаж
- Кабель, Оптика, Монтаж, Инструкции
Оптические технологии
Передача данных c помощью оптической связи использовалась задолго перед изобретением электричества.
Передача данных c помощью оптической связи использовалась задолго перед изобретением электричества. Атмосферные способы то пропадали из практики, то опять являлись на финальном этапе технического развития. итоговый «взлет» завершился в 70-х годах прошедшего века, когда лазеры были признаны дорогими, а также ненадежными игрушками.
Большее использование получили способы передачи в радиодиапазоне. На сегодня, лазерные атмосферные полосы являются быстрее экзотикой, чем практикой, хотя даже у нас устройства этого типа выпускаются более-менее серийно. Зато побочная отрасль оптической связи передача данных через волновод из кварцевого стекла (SiO2) переживает резкий рост, а также используется чем дальше, тем шире. Так, оптоволоконные кабеля уже всецело вытеснили медные (электрические) на магистральных каналах, а также стремительно подбираются к окончательному пользователю. Физический принцип, идущий в основании передачи сигналов по оптическому волокну прост, а также далеко не нов. Ещё в 1870 г. в английском Королевском сообществе Дж. Тиндаль показал непрямолинейное распределение света в недрах струи жидкости, основанное на отражении света от предела сред (воздуха и воды).
Практическое использование этого эффекта стало вполне вероятно опосля 2-ух принципиальных технологических «прорывов». В 1967 г. Жорес Алферов создал 1-ые полупроводниковые гетеролазеры, работоспособные при комнатной температуре. Чуть позже, в 1970 г., на фирме «Корнинг» была получена 1-ая миля сверхчистого кварцевого волокна, подходящего для оптической связи. На базе этих технологий, в 1975 году было внедрено 1-ое колено передатчиков сигналов. Основание составлял светоизлучающий диод, действующий на длине волны 0.85 мкм в многомодовом режиме.
Не прошло и трех лет, как возникли одномодовые диодные лазеры на 1.3 мкм. А в 1982 году выдалось в серию третье поколение, работающее на длине волны 1.55 мкм. 1988 год ознаменован вводом в деятельность первой трансатлантической ВОЛС ТАТ-8. В нынешнее время близка к завоеванию иная часть рынка. Настольные системы, соединенные в локальную сеть при поддержке оптоволокна, полностью реальны, а также всего лишь слегка экзотичны. Основными плюсами оптоволокна является фактически далеко не ограниченная пропускная способность, индифферентность к электрическим (например, атмосферным) наводкам, а также большая долговечность. К минусам впору отнести сравнительно недешевый кабель, а также активное оборудование, и большую сложность монтажа ВОЛС.
Видео о том, как работают оптические линии связи
На сегодня, использование оптоволокна в маленьких локальных сетях не оправдано ни экономически, ни технически. Однако для сетей «последней мили» оптическая среда передачи данных является фактически одним-единственным способом строить огромные и прочные сети «воздушным» способом.