Системы оптических линий связи

Волоконно-оптические линии связи — это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно".

Пять лет назад волоконно-оптические кабели использовались лишь операторами связи да крупными предприятиями. Теперь, когда настало время широкого внедрения сетей Gigabit Ethernet и уже ратифицирован стандарт 10 Gigabit Ethernet, оптические сети становятся массовой технологией. Несмотря на простоту основных компонентов этих сетей — стекло да свет, — оптические технологии и описывающие их термины для многих остаются тайной за семью печатями.

Наряду со строительством глобальных сетей связи оптическое волокно широко используется при создании локальных вычислительных сетей. Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам.

Скорости передачи волоконно-оптических систем связи невероятно велики. Современные системы позволяют передать все содержимое CD-диска за полсекунды. И технология продолжает развиваться. Организация Optical Internetworking Fo-rum завершает разработку стандартов для уровня OC-768, которые позволят увеличить пропускную способность линий связи до 40 Гбит/c. Такая скорость соответствует передаче в секунду восьми полных CD-дисков, или 5 Гб данных. Но даже 40 Гбит/с — это далеко не предел. Так, компания Alcatel продолжает наращивать пропускную способность волокна, "втискивая" в одно оптическое волокно 365 спектральных каналов со скоростью 10 Гбит/с каждый и обеспечивая их передачу на расстояние 6800 км. Эта технология, предназначенная для подводных кабельных систем, будет обеспечивать пропускную способность, достаточную для передачи трафика 47 млн телефонных разговоров.

Физические особенности

  • 1. Высокая частота несущая (Fo=10**14 Гц). Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 10**12 бит/с, или Терабит/с. Говоря другими словами, по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут.
  • 2. Очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна позволяют строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 40 Гбит/с.

Технические особенности

  • 1. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния — широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди.
  • 2. Оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм, то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, кабельной технике.
  • 3. Стеклянные волокна — не металл, тем самым они безопасны в электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах существующих линий электропередач как отдельно, так и встроенными в фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие преграды.
  • 4. Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии. Теоретически существуют способы обойти защиту путем мониторинга, но затраты на реализацию этих способов будут столь велики, что превзойдут стоимость перехваченной информации.
  • 5. Важное свойство оптического волокна — долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранения им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить оптико-волоконный кабель один раз и по мере необходимости наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие.

Но есть и свои недостатки

  • 1. При создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы. При производстве этих соединителей погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.
  • 2. Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое технологическое оборудование.
  • 3. Как следствие — при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.

Важнейшим из компонентов cистемы является оптическое волокно. Для передачи сигналов применяются два вида волокна: многомодовое и одномодовое. Свое название волокна получили от способа распространения в них излучения. Первые имеют более толстую сердцевину (светонесущую жилу) с типовым диаметром 50 или 62,5 мкм, сердцевина вторых — всего лишь от 2 до 10 мкм (для сравнения: диаметр обычного человеческого волоса равен 140 мкм). Многомодовыми волокна называют потому, что их диаметр значительно больше длины волны, а значит, в них распространяется множество различных типов световых лучей — мод.

Вторым важнейшим компонентом, определяющим надежность и долговечность, является волоконно-оптический кабель (ВОК). На сегодня в мире несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них: AT&T, General Cable Company (США); Siecor (ФРГ); BICC Cable (Великобритания); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония); Pirelli (Италия). По одномодовому кабелю сигналы способны передаваться на сотни и даже тысячи километров в зависимости от типа источника излучения, длины волны и скорости передачи данных. Поскольку визуально отличить многомодовое волокно от одномодового практически невозможно, большинство производителей стремятся облегчить нам эту задачу. Многомодовые кабели обычно имеют оранжевую оболочку, а одномодовые — желтую.

В оптической связи используются два типа источников: светодиоды и лазеры. Первые применяются только с многомодовыми кабелями, а вторые — чаще всего с одномодовыми. Светодиоды не могут работать с одномодовыми кабелями, так как их излучение недостаточно когерентно (представьте себе попытку наполнить бутылку водой из тазика с высоты 3 метра).

По одному медному кабелю может передаваться несколько различных потоков данных за счет деления его полосы пропускания на каналы. Каждому каналу разрешается пересылать данные в течение определенного промежутка времени, таким образом все каналы по очереди получают возможность отправить свои данные. Этот метод носит название временного уплотнения — Time Division Multiplexing (TDM). Существует также частотное уплотнение — Frequency Division Multiplexing (FDM), когда каждый канал занимает определенную ему полосу частот. Примером применения FDM-систем является радио- и телевизионное вещание. В большинстве оптических систем применяется комбинация этих двух методов уплотнения (мультиплексирования).

Хотя обычно основной проблемой оптической передачи является обеспечение достаточной мощности, чтобы сигнал мог достичь точки назначения, иногда приходится сталкиваться и с обратной проблемой. Если слишком много фотонов достигают приемника, он "слепнет" — подобный эффект наблюдается, когда человек смотрит прямо на солнце. В общем, превышение мощности — вещь не слишком хорошая для приемника. Многомодовые приемники, как правило, защищены от перегрузки, а вот одномодовые — нет, и проблемы могут возникнуть тогда, когда мощность передатчика не соответствует дальности связи.

Определяющими параметрами при производстве ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи.

По условиям эксплуатации кабели подразделяются

  • монтажные
  • станционные
  • зоновые
  • магистральные

Первые два типа кабелей предназначены для прокладки внутри зданий и сооружений. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую строительную длину. Кабели последних двух типов предназначены для прокладки в колодцах кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти кабели имеют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух километров.

Подведем итог

У волоконно-оптических линий связи есть как свои достоинства, так и недостатки, но эти минусы ничтожны по сравнению с плюсами. В данное время многими западными странами ведется активное внедрение волоконно-оптических линий связи. Возможно, это скоро дойдет и до нас. И будем мы рассказывать нашим внукам про "витую пару" и про дискетки 1.44 Мб, а они будут смеяться...