Останков А.В., Пастернак Ю.Г., Юдин В.И. Волоконно-оптические линии связи

Подождите немного. Документ загружается.

них и заканчивается временным растяжением импульсов. Уши-

рение информационных импульсов во времени в каждом ком-

поненте линии связи приводит к ограничению полосы пропус-

кания данного компонента, к снижению скорости передачи

сквозь него потока информации. Например, для линии связи,

структура которой представлена на рис. 4.21, общее время на-

растания составляет

ПРМВЫВОДВОЛ2СОЕДВОЛ1ВВОДПРДВОЛС

2222222

tttttttt ++++++= (4.15)

Время нарастания измеряется на переднем фронте импульса и

представляет собой интервал времени в течение которого им-

пульс возрастает от уровня 0.1 до уровня 0.9 (за единицу при-

нимается максимальное мгновенное значение импульса). Вре-

мя спада – соответственно от уровня 0.9 до уровня 0.1 на зад-

нем фронте импульса. Связь времени нарастания (времени от-

клика) импульса в i-ом компоненте ВОЛС с его полосой про-

пускания определяется выражением

,/.

НАР ii

ft ∆= 350 (4.16)

где t

НАР

измеряется в секундах, ∆f

измеряется в Гц, тогда

НАРВОЛС

∑

(4.17)

.)(.)(

ВОЛС

∑

−−

∆=∆

350 (4.18)

Любой компонент ВОЛС, задерживающий прохождение

информационных импульсов, снижает пропускную способ-

ность всей ВОЛС, независимо от места его расположения в ли-

нии. На практике при составлении временного (или скоростно-

го) баланса вводится 10%-я поправка для учета старения ком-

понентов ВОЛС, так что

НАРВОЛС

∑

⋅=

11 (4.18)

5. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ

5.1. Топология ВОЛС

Варианты применения волоконных линий связи в на-

стоящее время настолько разнообразны, что их затруднительно

даже перечислить. Тем не менее, очень кратко и неполно, это:

миниатюрные (по площади) локальные сети, размещенные на

территории офисов, банков, больниц, учебных заведений, объ-

ектов вроде корабля, танка, самолета, космической станции;

телефонные сети, начиная с мелких районных и заканчивая се-

тями крупнейших мегаполисов; магистральные линии связи,

соединяющие города, страны, континенты. В каждом из пере-

численных примеров используется своя топология ВОЛС. И

все же в основу разных топологий кладутся некоторые типы

их, хорошо зарекомендовавшие себя за 30 лет эксплуатации

ВОЛС. К таким известным сетевым топологиям относятся сле-

дующие типы: звезда (рис.

5.1,а), кольцо (рис.

5.1,б), шина

(рис. 5.1,в), комбинированные или смешанные (рис. 5.1,г,д).

На рис. 5.1 черными кружками обозначены узлы комму-

тации, белыми кружками – терминалы, стрелками – направле-

ния движения потока информации. Совместимость различных

сетей, взаимодействие различных звеньев внутри сети обеспе-

100 101

Рис.5.1

чивается международными стандартами. Международная Ор-

ганизация Стандартов (ISO

– Open Standards Interconnect) в

1978 году разработала рекомендации, требующие, чтобы архи-

тектура коммуникационной сети строилась по семиуровневой

схеме взаимодействия (рис. 5.2).

Рис. 5.2

Указанные слева на рис. 5.2 устройства выполняют сле-

дующие функции. Повторитель регенерирует передаваемые

сигналы и посылает их в нужном направлении. Анализ сигна-

лов он не осуществляет. Мост соединяет различные сети, рабо-

тающие по одному протоколу. Маршрутизатор действует на се-

тевом уровне, он способен воспринимать разные протоколы.

Шлюз соединяет локальную сеть с более мощной информаци-

онной системой.

Первый уровень (физический) модели ISO является наи-

более существенным, так как включает оптические кабели,

пассивные компоненты, передатчики, приемники, характерис-

тики сигналов. Весьма распространенным физическим уров-

нем является стандарт RS-232, на котором основаны последо-

вательные (com) порты персонального компьютера. Второй

уровень ISO отвечает за правильную передачу данных по воло-

конным линиям, за объединение символов в пакеты, за управ-

ление и получение сообщений по волокну. На этом уровне

обеспечивается правильная очередность передачи пакетов

(блоков) данных.

Третий уровень обеспечивает правильную адресацию по-

токов информации в линии и направление их по маршрутам.

На этом уровне происходит обмен сообщений между узлами.

Четвертый (транспортный) уровень определяет конкретный

путь передачи данных по схеме "точка – точка", определяет

связь между узлами вне зависимости от места их расположе-

ния в сети.

Пятый уровень управляет системно-зависимыми аспек-

тами коммуникации между сетевыми узлами. На шестом уров-

не данные подвергаются таким действиям, чтобы стать види-

мыми для пользователя путем отображения на экране монито-

ра или распечатки на принтере. Этот уровень форматирует

данные и конвертирует символы. Например, распространен-

ный в компьютере код ASC II (American Standard Code for In-

formation Interchange) преобразует шестой уровень в код

EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Information Code), кото-

рый используется в оборудовании IBM.

Седьмой уровень венчает модель ISO, так как он предос-

тавляет услуги пользователю. При связи двух станций семи-

уровневая модель работает по схеме, представленной на рис. 5.3.

Например, именно

так

пересылается электронное письмо

от

од-

ного абонента к другому.

Многоуровневое уст-

ройство ВОЛС выбрано не

случайно,

оно

имеет

следу-

ющие преимущества. Бла-

годаря стандарту в таких

ВОЛС может применяться

оборудование

любого

про-

изводителя.

Кроме

того,

ес-

ли при расширении сетей

сами ВОЛС встраиваются

Устройство, рабо-

тающее через сеть

Уровни

модели ISO

Функции уровня

7 Приложения

Пересылка файлов, эмуляция

терминала, электронная почта

6 Представление

Форматирование данных и пре-

образование кодов символов

5 Сеанс

Общение и установка подклю-

чения с другим узлом

Шлюз

4 Транспортный

Обеспечение поставки из точку

в точку

Маршрутизатор

3 Сетевой

Маршрутизация данных через

несколько сетей

Мост

2 Связи данных

Разделение информации на блоки,

их пересылка, контроль ошибок

Повторитель

1 Физический

Передача необработанных дан-

ных по каналам связи

102 103

станция I станция II

7…

6…

5…

4…

3…

2…

1…

Рис. 5.3

в ранее построенные сети,

использующие

коаксиальные

кабели и даже витые пары, то

это затрагивает только самый

нижний, физический уровень,

используя более высокие

уровни, как полностью гото-

вые, не требующие никаких

технических переделок.

В локальных сетях в на-

стоящее время наиболее часто применяются два вида стандар-

тов: IEEE 802.3 Ethernet и IEEE 802.5 Token Ring. Оба разрабо-

таны институтом инженеров по электричеству и электронике

(Institute of Electrical and Electronic Engineers). Они допускают

встраивание в них оптических кабелей, хотя и изначально

предназначались для сетей с коаксиальным кабелем. Первой

полностью оптической локальной сетью является FDDI (Fiber

Distributed Interface). По сравнению с предыдущими стандар-

тами новая сеть имеет на порядок выше скорость передачи ин-

формации (100

Мбит/с) и в сотни раз более протяженные ли-

нии соединения (до 100

км). FDDI-сети используют топологию

в виде двух колец с противоположными направлениями пере-

дачи информации (рис.

5.4).

Топология двойного кольца заметно повышает надеж-

ность сети. При выходе из строя любого кольца второе берет

на себя его функции (рис.

5.5,а). Если оба кольца повреждают-

ся, сеть сохраняет работоспособность за счет того, что одно

кольцо используется на прием информации, а второе – на ее

передачу (рис. 5.5,б).

5.2. Аналоговые и цифровые ВОЛС

Современные ВОЛС являются в подавляющем числе

примеров цифровыми системами связи. Это вовсе не означает,

что аналоговые оптические линии передачи информации вы-

теснены совершенно. Аналоговые системы просты и удобны,

они легко сопрягаются с обычными линиями передачи элек-

трических сигналов, которых в эксплуатации имеется еще

большое количество, на разработку и создание которых были

затрачены значительные средства и которые еще много лет бу-

дут исправно работать. Подключение аналоговых оптических

линий в аналоговые электрические сети в техническом отно-

шении является несложной и легко решаемой задачей. Зато в

этом случае не нужны оптические аналого-цифровые и цифро-

аналоговые преобразователи. Аналоговая связь требует значи-

тельно меньшей полосы пропускания, чем цифровая, если

сравнение производить для одинакового объема передаваемой

информации. Не случайно, что нередко заказчики ВОЛС на-

стаивают на разработке ее в аналоговом варианте.

В то же время аналоговые системы оптической связи в

сравнении с цифровыми не обладают, как последние, высокой

помехоустойчивостью к внешним и внутренним помехам. В

аналоговых системах невозможна регенерация передаваемых

сигналов, а, следовательно, восстановление искаженных сигна-

лов. Запись, хранение, обработка аналоговых сигналов заметно

сложней цифровых; при появлении нелинейности в передаточ-

ных характеристиках компонентов приемного тракта возника-

ют взаимные нелинейные искажения в каналах, появляются

вторая и третья гармоники, амплитуды которых должны быть

на 45…50 дБ меньше амплитуды колебания основной частоты.

И, наконец, на выходе оптического аналогового приемника от-

ношение сигнал/шум трудно получить большим. Например,

даже в сравнении с электрической линией связи − коаксиаль-

104 105

Рис.5.5

Рис. 5.4

ным медным трактом − аналоговая ВОЛС (при одинаковой

протяженности и полосе пропускания) проигрывает по отно-

шению сигнал/шум 4…5 порядков при использовании лазера в

качестве источника излучения, и на 6…7 порядков, если вме-

сто лазера используется СИД.

Цифровые ВОЛС – дорогие, сложные системы, требую-

щие очень большой (в 10…20 раз шире, чем в аналоговых

ВОЛС) частотной полосы. И все же, именно, цифровые ВОЛС

господствуют в волоконно-оптических телекоммуникационных

системах связи. Необходимая для них широкая полоса некри-

тична при несущей частоте ~

Гц. Другие недостатки с лих-

вой покрываются их достоинствами.

6. ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВОЛС

На научно-техническом горизонте в области систем теле-

коммуникаций альтернативы волоконно-оптическим линиям

связи нет, и, по-видимому, эта ситуация сохранится в течение

еще нескольких десятков лет. Но цивилизация безостановочно

развивается в направлении прогресса. Человечеству постоянно

не хватает информации. Оценки показывают, что емкость во-

локонно-оптических систем связи возрастает в четыре раза каж-

дые 1.5 года. Только оптоволокно способно выдержать такой

темп роста. Отнесенный к информации принцип "больше

даль-

ше

лучше

- дешевле" стимулирует ученых к поиску новых тех-

нологий в сфере ВОЛС. В настоящее время наметились два пер-

спективных направления построения сверхскоростных и сверх-

протяженных линий связи. Одно из них связано с созданием со-

литонных ВОЛС, другое – с внедрением оптического мультип-

лексирования (упомянутые выше WDM и DWDM-технологии).

Первый путь использует в качестве физического базиса

известный эффект самосжатия коротких оптических импуль-

сов при распространении их в прозрачных средах, сочетающих

квадратичную

нелинейность

отрицательной

дисперсией груп-

повых скоростей. Нелинейное самовоздействие наблюдается в

оптическом поле с очень большой плотностью потока мощнос-

ти, и, казалось бы, при милливатных мощностях излучения по-

лупроводниковых лазеров и СИД говорить о таких плотностях

не приходится. Однако в одномодовых световодах площадь по-

перечного сечения сердцевины очень мала, поэтому порог не-

линейности достигается без труда. Введенный в такой световод

оптический импульс пикосекундной длительности проходит

через процесс самовоздействия, приобретая фазовую модуля-

цию. Взаимодействуя со средой сердцевины световода, обла-

дающий дисперсией групповых скоростей, импульс сжимается

до фемтосекундных длительностей. Для усиления эффекта им-

пульс заставляют последовательно рассеиваться на двух эше-

леттах. Если огибающей оптического импульса в плоскости

распространения придать форму функции гиперболического

секанса, импульс превращается в неразрушаемый оптический

солитон. Солитон сохраняет свою форму при распространении

по световоду и лишь уменьшает из-за потерь свою амплитуду.

Ослабление оптических импульсов, как мы знаем, можно ком-

пенсировать, применяя EDFA-усилители, расставленные вдоль

ВОЛС через подобранное расстояние. Сочетание солитонных

импульсов и оптических усилителей позволяет создать солитон-

ные ВОЛС, для которых характерны высокая скорость и очень

большая дальность передачи информации.

Второй путь не использует таких "тонких" физических

эффектов, как первый, но достигаемый результат оказывается

впечатляющим. Речь идет об уплотнении каналов за счет раз-

несения их по рабочей длине волны (то, что в радиодиапазоне

называется частотным разнесением каналов − ЧРК). В "окне"

1530...1565

нм (рабочая полоса EDFA-усилителей), применяя

сетку частот с шагом между каналами 200/100/50 ГГц и воз-

можностью его уменьшения до 25 ГГц, удается организовать

большое число каналов. Стандартная сетка (при шаге 100 ГГц)

задается соотношением (m – номер канала)

101193 ..

⋅

ТГц (5.1)

В системах с повышенным уплотнением (DWDM) удает-

ся в полосе с 1530...1565

нм разместить 160 каналов со скорос-

тью передачи в каждом 40 Гбит/с.

106 107

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На ближайшие десятилетия альтернативы волоконно-оп-

тическим линиям среди закрытых (кабельных) сетей передачи

информации не существует. Поэтому введение в учебный план

подготовки радиоинженеров отдельной дисциплины «Воло-

конно-оптические линии связи» совершенно необходимо. Пока

данная дисциплина присутствует лишь в плане специализации

«Системы и устройства сухопутной связи» и рекомендована

базовым предприятием кафедры РЭУС Воронежским НИИ

связи.

Настоящее учебное пособие написано в форме последо-

вательного изложения принципов действия и характеристик

тех устройств, которые проходит информационный сигнал, пе-

редаваемый по ВОЛС: оптический передатчик – оптический

волновод – оптический приемник. Изложены физические про-

цессы, протекающие в полупроводниковых лазерах и светоиз-

лучающих диодах, способы аналоговой и импульсной модуля-

ции оптического излучения. Достаточно подробно описывается

распространение оптических волн в световодах. Использован

как геометро-оптический, так и волновой подход к задаче. По-

вышенное внимание уделено объяснению причин затухания

оптических волн в световодах и дисперсионного уширения оп-

тических импульсов. В главе, посвященной оптическим при-

емникам, изложен материал, касающийся наиболее распро-

страненных фотодетекторов, построенных на основе p-i-n- и

лавинных фотодиодов: шумы оптических фотодиодов, прин-

ципы усиления и регенерации оптических сигналов, чувстви-

тельность оптических приемников, в том числе и ее квантовый

предел.

Пособие заканчивается описанием типичных технологий

ВОЛС, особенностей построения ВОЛС для передачи аналого-

вых и цифровых сигналов, а также основных современных

тенденций совершенствования ВОЛС.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ,

ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ПОСОБИИ

ASC

II – American Standard Code for Information Interchange

EBCDIC

–

Extended Binary Coded Decimal Information Code

FDDI – Fiber Distributed Interface

ISO

– Open Standards Interconnect

WDM – Wavelength Division Multiplexing

SONET – Synchronous Optical Network

ВАХ – ватт-амперная характеристика

ВКР – вынужденное комбинационное рассеяние

ВОЛС – волоконно-оптическая линия связи

ЛФД – лавинный фотодиод

ОСС – оптическая система связи

ППЛ – полупроводниковый лазер

РБО – распределенный брэгговский отражатель

РОС – распределенная обратная связь

СИД – светоизлучающий диод

ЧМ – частотная модуляция

ЧРК – частотное разнесение каналов

108 109

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Справочник ВОЛС. Волоконные оптические линии

связи / Под ред. С.В. Свечникова и Л.М. Андрушко. – Киев:

"Тэхника", 1988. – 239 с.

2. Гауэр Дж. Оптические системы связи. – М: Радио и

связь, 1989. – 501 с.

3. Стерлинг Дональд Дж. Волоконная оптика. Техниче-

ское руководство. – М: Изд-во "Лори", 1998. – 228 с.

4. Оптические системы передачи / Под ред. В.И. Ива-

нова. – М: Радио и связь, 1994. – 224 с.

5. Волоконно-оптические системы передачи и кабели.

Справочник. – М: Радио и связь, 1993. – 265 с.

6. Фриман Р. Мир связи. Волоконно-оптические сис-

темы связи. – М: Техносфера, 2003. – 447 с.

7. Взятышев В.Ф. Диэлектрические волноводы. – М:

Сов. радио, 1970. – 216 с.

8. Унгер Х.-Г. Планарные и волоконные оптические

волноводы. – М: Мир, 1980. – 656 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ...................................................................................... 3

1. Структурное построение ВОЛС ............................................ 7

2. Оптические передатчики ВОЛС............................................ 8

2.1. Источники оптического излучения для ВОЛС........ 8

2.2. Зонная структура полупроводниковых

лазерных материалов ....................................................... 9

2.3. Светоизлучающие диоды и их параметры ............... 17

2.4. Полупроводниковые лазеры ...................................... 19

2.4.1. Лазеры с двойным гетеропереходом................. 19

2.4.2. Многомодовые и одномодовые гетеролазеры . 23

2.4.3. Лазеры с распределенной обратной связью..... 27

2.4.4. Лазер с вертикальным оптическим

резонатором................................................................... 29

2.4.5. Параметры лазерных излучателей .................... 29

2.5. Модуляция полупроводниковых источников

оптического излучения ..................................................... 34

2.6. Модулированные импульсные последователь

ности ................................................................................... 37

3. Оптические световоды и кабели............................................ 41

3.1. Принцип действия оптического диэлектрического

волновода ........................................................................... 41

3.2. Важнейшие характеристики световода .................... 42

3.2.1. Числовая апертура .............................................. 42

3.2.2. Профиль показателя преломления .................... 44

3.2.3.

Дисперсия ............................................................ 47

3.2.4. Ширина полосы пропускания и скорость

передачи информации .................................................. 53

3.2.5. Ослабление оптического излучения ................. 54

3.2.6. Оптимальная длина волны для ВОЛС .............. 57

3.3. Волновая теория световода ....................................... 60

3.3.1. Электродинамическая постановка задачи........ 60

3.3.2. Волновое уравнение и его решение .................. 62

3.3.3. Типы направляемых волн .................................. 66

3.3.4. Вытекающие волны ............................................ 71

110 111

4. Оптические приемники ВОЛС ............................................ 72

4.1. Принцип детектирования оптических сигналов ... 72

4.2. Фотодиодные детекторы.......................................... 73

4.3.1. p-i-n фотодиод................................................... 73

4.3.2. Лавинный фотодиод ......................................... 76

4.3. Шумы фотоэлектронного преобразования ............ 77

4.3.1. Разновидности шумов ...................................... 77

4.3.2. Фоновая засветка .............................................. 77

4.3.3. Дробовой шум................................................... 78

4.3.4. Тепловой шум ................................................... 79

4.3.5. Шум лавинного размножения ......................... 79

4.4. Характеристики фотодетекторов............................ 80

4.5. Электрические усилители фототока....................... 83

4.6. Регенераторы и усилители оптических сигналов.. 84

4.6.1. Оптические усилители ..................................... 85

4.6.2. Регенерация цифровых оптических

сигналов....................................................................... 91

4.6.3. Ошибки регенерации........................................ 92

4.6.4. Квантовый предел фотодетектирования ........ 95

4.7. Балансные соотношения для ВОЛС ....................... 98

5. Волоконно-оптические линии связи ................................... 101

5.1. Топология ВОЛС...................................................... 101

5.2. Аналоговые и цифровые ВОЛС.............................. 104

6. Пути совершенствования ВОЛС ......................................... 106

Заключение................................................................................ 108

Список сокращений, используемых в пособии ..................... 109

Библиографический список ..................................................... 110

Учебное издание

Останков Александр Витальевич

Пастернак Юрий Геннадьевич

Юдин Владимир Иванович

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ

В авторской редакции

Компьютерный набор А.В. Останкова

Подписано в печать 28.09.2005.

Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов.

Усл.

печ.

л. 7,0. Уч.-изд.

л. 3,2. Тираж 50 экз. С .

Заказ № .

Воронежский государственный технический университет

394026 Воронеж, Московский просп., 14

112