ОПТОВОЛОКОННЫЕ КАБЕЛИ
Почему именно волоконная оптика?
Любая попытка понять, в чем сущность оптической сети, должна начинаться с рассмотрения преимуществ волоконно-оптического кабеля. С чем связано движение в сторону юлоконно-оптических сетей? Можно было бы, конечно, дать немедленный ответ — с их пропускной способностью, однако преимущества волоконной оптики этим далеко не исчерпывается.
Конструкция волоконно-оптического кабеля
Точно так же как и автомобиль, волоконно-оптический кабель нуждается в каркасе. Менее 10 процентов фактической массы кабеля предназначено для передачи фотонов, которая и делает возможной оптическую связь. Остальная часть кабеля обеспечивает его прочность и защищает от воздействия окружающей среды, чтобы он мог выдержать длительное пребывание в условиях кабелепровода.
Когда мы говорим о стекле, мы, конечно же, имеем виду не те виды стекла, которые используются для изготовления бутылок, или оконное стекло. Бытовое стекло представляет собой сплав, в который входит пять составляющих: песок, т.е. диоксид кремния (Si02); карбонат натрия (Na2C03), предназначенный для снижения температуры плавления кремнезема; карбонат кальция или известняк (СаСО3) и карбонат магния (MgC03), делающий кременеземно-натриевую оксидную смесь нерастворимой в воде.
Типы волоконно-оптических кабелей
Игру, которая выпадает на долю оптики в волоконно-оптических кабелях, можно было бы назвать «Передай сигнал подальше без потери четкости световых импульсов». Возникающие при этом трудности носят двоякий характер. Во-первых, в силу целого ряда причин сигналы при их прохождении вдоль волокон ослабляются или искажаются. Во-вторых, высококачественные компоненты, необходимые для соединения волокон.
Что скрывается за полосой пропускания
Теперь мы в состоянии оценить важность того, что стоит за моделью полосы пропускания. Во-первых, чем больше длина волны, тем меньше ослабляется сигнал по мере прохождения кабеля. При прочих равных условиях операторы сетей всегда предпочитают работать на участках спектра с более высокими длинами волн, поскольку это обеспечивает большую дальность связи.
Для каждой из указанных выше длин волн имеется ряд специфических характеристик и факторов, осложняющих передачу оптических сигналов. Эти факторы распадаются на две широкие группы — линейные и нелинейные эффекты. Линейные эффекты возрастают в прямой пропорции с увеличением длины кабеля. К основным линейным эффектам относятся ослабление и дисперсия сигналов.
Наиболее распространенным линейным эффектом пока является затухание — ослабление сигналов при их распространении вдоль оптического кабеля. Обратите внимание на очень высокое затухание в области первого волнового диапазона и значительно более низкий его уровень в области высших диапазонов.
Совокупный эффект поглощения и рассеяния определяет суммарные потери, или ослабление, светового потока и выражается в децибелах. Децибелы (дБ) — специфические единицы измерения, поскольку они выражают величину эффекта лишь косвенным образом.
Другим важным фактором, заметно изменяющим свойства одномодовых и многомо-довых оптоволоконных кабелей, является дисперсия, в результате которой происходит размывание светового импульса при его распространении вдоль волокна. Это явление обусловлено зависимостью скорости распространения светового импульса по волокну от длины волны и используемой моды.
Большие размеры центральной жилы в многомодовых кабелях позволяют световым импульсам использовать для распространения по кабелю несколько путей, или мод. С помощью уравнений Максвелла, названных так по имени английского физика Джеймса Кларка Максвелла (James Clerk Maxwell) (1831-1879), можно рассчитать полное число мод для многомодового кабеля, иногда достигающее нескольких сотен.
В качестве стандартных одномодовых кабелей используются NDSF, поскольку они позволяют избежать проблем дисперсии и затухания, свойственных многомодовым кабелям. В то же время, с NDSF связаны собственные проблемы, обусловленные хроматической дисперсией, являющейся совместным проявлением дисперсии в веществе и дисперсии в световоде.
Поляризационная-модовая дисперсия
В обычных условиях обе поляризационные моды в одномодовых волоконно-оптических кабелях не взаимодействуют между собой, так что мы говорим лишь об одной моде. И все же, у любого правила имеются исключения. При определенных условиях, а именно — при скоростях передачи свыше 2,5 Гбит/с, разница во временах прохождения двух поляризационных мод становится настолько большой, что импульсы растягиваются, или размазываются.
Помимо линейных эффектов, таких как затухание и дисперсия, существуют нелинейные эффекты, которые возрастают пропорционально интенсивности сигнала, а не длине волоконно-оптического кабеля.
Бриллюэновское и рамановское рассеяние
Рэлеевское рассеяние — не единственный вид рассеяния, с которым приходится сталкиваться проектировщикам сетей. На передачу сигналов в сетях влияние также оказывают, хотя и нелинейным образом, два других вида рассеяния — бриллюэновское и рамановское.
По мере того как провайдеры стали переходить к использованию механизмов EDFA и DWDM, еще одно явление привлекло к себе внимание и, в конечном счете, привело к отказу от использования кабелей ZDF в сетях общего пользования — четырехволновое смешение (four-wave mixing). И EDFA, и DWDM — оба используют третий диапазон передачи.
* * *
Если компьютерная связь моделирует почтовую систему, то оптическая транспортировка сигналов эквивалентна перемещению почты внутри почтового отделения с помощью конвейера — ее роль столь же существенна.
Быстрый рост Internet подталкивает провайдеров к разворачиванию высокоскоростных линий связи. Благодаря появлению высокотехнологичных волоконно- оптических кабелей скорости передачи на дальние расстояния возросли с 2,5-10 до 40 Гбит/с. Такой резкий скачок был частично обусловлен усовершенствованием процесса производства волоконно-оптических кабелей, и в частности — успешным решением задачи исключения примесей из светопроводящей жилы и окружающего ее слоя плакировки (cladding), которые фактически обеспечивают передачу световых импульсов.
Указанные два компонента в значительной степени определяют деление волоконно-оптических кабельных линий на два основных типа: одномодовые и многомодовые. Дальнейшее усовершенствование этих двух основных типов касалось устранения многочисленных проблем, которые первоначально ограничивали дальность передачи.
Волоконно-оптический кабель состоит из пяти основных компонентов — внешней защитной оболочки, слоя упрочняющего материала, внутреннего покрытия, плакировки и центральной светопроводящей жилы.
Свет распространяется вдоль центральной жилы, отражаясь от плакировки по механизму полного внутреннего отражения. Это оказывается возможным лишь благодаря тому, что показатель преломления центральной жилы (RI) превышает показатель преломления плакировки.
Существует два основных типа волоконно-оптических кабелей — многомодовые и одномодовые. Центральная жила многомодовых волоконно-оптических кабелей имеет сравнительно большую толщину, что позволяет свету распространяться вдоль оптических волокон, следуя многими путями, или модами. Одномодовые волоконно-оптические кабели характеризуются намного меньшим диаметром, вследствие чего существует лишь один эффективный путь, или мода, по которому свет может распространяться.
Способность многомодовых кабелей собирать световой поток измеряется числовой апертурой; в одномодовых кабелях для этой цели используется понятие «диаметра поля моды».
Существует два типа многомодовых волоконно-оптических кабелей — со ступенчатым и градиентным профилями показателя преломления. Они отличаются между собой способом распространения света вдоль различных мод. В волоконно-оптических кабелях со ступенчатым профилем показателя преломления RI он имеет одно и то же значение для всех мод, так что на больших пролетах кабеля свет, распространяющийся вдоль коротких мод, достигает приемника гораздо быстрее, чем свет, распространяющийся вдоль длинных мод. В волоконно-оптических кабелях с градиентным профилем показателя преломления значение RI различно для различных мод, и поэтому световой поток, распространяющийся как по длинным, так и по коротким модам приходит к приемнику почти одновременно.
Существует два широких класса одномодовых кабелей — волокно с несмещенной дисперсией (NDSF) и волокно со смещенной дисперсией (DSF). В кабелях NDSF, или стандартных волоконно-оптических кабелях, центральная жила с целью увеличения допустимой длины пролета кабеля имеет ступенчатый профиль показателя преломления. В кабелях DSF характеристики оптического волокна изменяются таким образом, чтобы противодействовать дисперсии импульсов. В кабелях со смещенной нулевой дисперсией (ZDSF) показатель преломления RI изменяется таким образом, чтобы исключить дисперсию сигнала, но они не могут использоваться в системах DWDM или EDFA. В кабелях кабелях со смещенной ненулевой дисперсией (NZDSF) вводится номинальная степень дисперсии, обеспечивающая возможность их работы в системах DWDM и EDFA.
Существует семь диапазонов передачи данных. Многомодовые кабели используются лишь для работы в первых двух диапазонах с длинами волн около 850 и 1300 нм соответственно. Кабели NDSF используют второй диапазон — примерно 1310 нм. Кабели ZDSF используют пятый диапазон с длиной волны примерно 1550 нм, но не могут работать в режиме DWDM. Кабели NZDSF используются для работы в различных диапазонах. Все они могут использовать пятый диапазон и работать с механизмом DWDM; при этом некоторые из них используют также второй, третий, шестой и седьмой диапазоны.
Существует два основных типа эффектов, оказывающих влияние на передачу данных. Линейные эффекты, а именно — затухание и дисперсия, растут пропорционально длине кабеля. Нелинейные эффекты, такие как бриллюэновское и комбинационное рассеяние или четырехволновое смешение, изменяются пропорционально мощности сигнала, а не пройденному сигналом расстоянию.