Основные виды применения оптоволоконных систем связи

Основные виды применения оптоволоконных систем связи

В настоящее время наиболее важным аспектом использования волоконно-оптических систем связи является обеспечение с помощью него недорогого канала связи, чтобы нести все большее количество коммерческих и частных данных. Когда-то медленное соединение для передачи данных по медной линии было приемлемым, но теперь владельцы бизнеса и домовладельцы требуют обеспечения потоковой передачи данных, скоростью в несколько тысяч килобайт в секунду (Kbps). Кроме того, растущий спрос на обширные физические кабельные и интернет-сети привел к необходимости резко снизить стоимость работ и ограничить занимаемое пространство необходимое для установки. В обоих случаях, волоконно-оптические системы связи намного превосходят передачу данных по медным линиям. Это привело тому, что волоконно-оптические системы связи становятся доминирующими в доме и в бизнесе широкополосного сектора.

Низкая стоимость и высокая эффективность волоконно-оптических кабелей также привели к замене крупномасштабной меди подводных и магистральных наземных линий связи, а также значительно улучшилось качество телефонной передачи данных на дальнее расстояние. Кроме того, эти системы гораздо проще в плане, ремонта или замены кабеля в случае необходимости, а также они не подпадают под те же ограничения передачи данных, с которыми сталкиваются их предшественники.

Из-за их широкого спектра преимуществ по сравнению с другими системами, применение волоконно-оптических систем связи, несомненно, будет продолжать расти в быстром темпе. Несмотря на то, что большинство домов в настоящее время все еще не используют новую технологию передачи данных можно с уверенностью сказать, что волоконно-оптические системы будут продолжать вытеснять медные линии, и в конечном итоге они способны заменить их во всех построенных домах. Волоконно-оптические системы связи по-прежнему остаются доминирующей коммуникационной технологией будущего.

Оптико-волоконный кабель, преимущества оптоволокна перед медью:

  • Скорость. Волоконно-оптические сети работают на высоких скоростях.
  • Объем потока передачи данных гораздо больше, чем в медных кабельных линиях.
  • Расстояние. Сигналы могут передаваться на более далекие расстояния без необходимости обновления или укрепления связи.
  • Сопротивление. Они обладают большей устойчивостью к электромагнитным помехам, таким как радио, двигатели или другие близлежащие кабельные сети.
  • Обслуживание. Обслуживание волоконно-оптических кабельных линий стоит намного дешевле, чем поддерживать медные каналы связи.

В последние годы стало очевидным, что волоконная оптика является устойчивой заменой медного провода в качестве надлежащего средства передачи сигналов связи. Она охватывает большие расстояния между местными телефонными системами, а также она заложила основу для многих сетевых систем. Другие полезные функции системы включают в себя оказание услуг кабельного телевидения. Волоконно-оптические системы связи применяются в университетских кампусах, офисных зданиях, промышленных предприятиях, а также электрических коммунальных предприятиях.

Волоконно-оптическая система аналогична системе проволочной меди. Разница заключается в том, что волоконная оптика использует световые импульсы для передачи информации вместо использования электронных импульсов, которые используют медные линии для передачи цифровых данных. Знание компонентов, которые используются в производстве волоконно-оптической сети, дает лучшее понимание того, как работает система в сочетании с системами на основе проволоки.

Один конец системы является передатчиком. Это место происхождения информации, поступающей на волоконно-оптические линии. Передатчик принимает кодированную электронную информацию как импульс, поступающий из медной проволоки. Он обрабатывает и преобразует эту информацию в закодированные световые импульсы. Светоизлучающий диод (СИД) или литьевой лазерный диод (ИСД) может быть использован для генерации световых импульсов. С помощью линзы, световые импульсы направляются в волоконно-оптическую среду, где они путешествуют как по кабелю. Свет (ближней инфракрасной области спектра) чаще всего 850nm, на более короткие расстояния и 1,300nm.

Волоконно-оптический кабель можно представить как очень длинную картонную втулку (та что находится во внутренней части рулона бумажных полотенец), которая покрыта зеркалом на внутренней стороне.

Если вы посветите фонариком в одном конце, то вы сможете увидеть свет, который выйдет на дальнем конце — даже если он был согнут под острым углом.

Световые импульсы легко перемещаться по волоконно-оптической линии связи из-за принципа, известного как внутреннее отражение. Этот принцип полного внутреннего отражения гласит, что, когда угол падения превышает критическое значение, свет не может выйти из стекла. Этот принцип применяется к построению волоконно-оптической нити, по ней можно передавать информацию вниз по линии волокна в виде световых импульсов. Ядро должно иметь очень четкий и чистый материал для света, или в большинстве случаев вблизи инфракрасного света (850 нм, 1300 нм и 1500nm). Ядро может быть пластиковым (используется на очень короткие расстояния), но в большинстве случаев используется оптические волокна из стекла. Стекло почти всегда сделано из чистого диоксида кремния, но иногда используются и некоторые другие материалы, например: фторцирконат, фторалюминатные и халькогенидные стекла, они используются для более длинноволновых инфракрасных лучей.

Есть три типа оптоволоконного кабеля, которые обычно используются в строительстве волоконно-оптических линия связи: одномодовый, многомодовый и пластиковое оптоволокно (ФОМ). Прозрачные стеклянные или пластиковые волокна, позволяют свету перемещаться от одного конца к другому с минимальными потерями.

Волоконно-оптический кабель функционирует как «световод», он проводит свет от одного конца кабеля к другому. В качестве источника света может быть использован либо светоизлучающий диод (LED), либо лазер.

Источника света генерирует цифровую информацию в световые импульсы и выключается, а светочувствительный приемник на другом конце кабеля преобразует импульсы обратно в цифровые единицы и нули исходного сигнала.

Даже лазерный луч, просвечивая волоконно-оптический кабель, подвержен потере прочности, в первую очередь за счет дисперсии и рассеяния света внутри самого кабеля. Чем быстрее лазер колеблется, тем больше риск дисперсии. Могут потребоваться легкие упрочнители, называемые репитерами, для обновления сигнала в определенных местах оптоволоконной линии.

В то время как волоконно-оптический кабель сам по себе становится дешевле с течением времени — эквивалентная длина медного кабеля стоит меньше на фут, но не в качестве. Волоконно-оптические кабельные соединители и оборудование, необходимое для их установки все еще дороже, чем их медные аналоги.

Одномодовый кабель представляет собой единый провод (большинство используют 2 волокна) из стекловолокна с диаметром8,3 до 10 мкм, который имеет один режим передачи. Одномодовое волокно с относительно узким диаметром, через который будет распространяться обычно 1310 или 1550 нм света. Он несет более высокую пропускную способность в сравнении с многомодовым волокном, но также он требует источника света с узкой спектральной шириной.

Одномодовые волоконные системы используются во многих приложениях, где данные посылаются на многочастотных каналах. Одномодовое волокно дает более высокий уровень скорости передачи информации и до 50 раз большее расстояние, чем расстояние многопроволочных, но и стоит он дороже. Небольшое ядро и одна световая волна практически полностью препятствует проникновению любых искажений, которые могут возникнуть в результате перекрытия лазерных импульсов, создавая небольшое затухание сигнала и самую быструю скорость передачи информации любого типа оптического кабеля.

Одномодовое оптическое волокно – оптическое волокно, в котором режим может распространяться на длине волны интереса, как правило, 1300 до 1320nm.

Многомодовый кабель имеет немного больший диаметр, в диапазоне от 50 до 100 микрон-для более легкого обеспечения передачи данных. Большинство приложений, в которых используется многомодовое волокно, используют 2 волокна (WDM обычно не использует многомодовые волокна). POF представляет собой новый, на пластиковой основе, кабель, который обещает производство оптического кабеля в очень короткие промежутки времени, но по более низкой цене.

Многомодовое волокно дает высокую пропускную способность при высоких скоростях (от 10 до 100 Мбит) на средние расстояния. Световые волны рассеиваются на многочисленные расстояния, так как они проходят через сердечник кабеля, как правило, 850 или 1300 нм. Типичные многомодовые волокна обладают диаметром сердцевины 50, 62,5 и 100 микрометров. Тем не менее, на длинных кабельных трассах (более 900 метров), несколько путей света могут привести к искажению сигнала на приемном конце, что в результате приводит к неясной и неполной передаче данных.

Использование волоконно-оптической связи не было доступно до 1970 года. Было признано, что оптическое волокно будет возможным для использования в качестве телекоммуникационного оборудования передачи данных, только если разработанное стекло будет настолько чистым, что затухание будет 20дБ / км или менее. То есть, 1% света будет оставаться после прохождения 1 км. Затухание оптического волокна сегодня находится в диапазоне от 0,5 дБ / км до 1000dB / км, в зависимости от используемого материала для производства волоконно-оптических кабелей.

Применения волоконно-оптической связи распространилось быстрыми темпами, так как первая коммерческая установка волоконно-оптической системы была введена в эксплуатацию в 1977 г. Телефонные компании также рано приобщились к новой технологии, заменив их старые системы медных проволок на волоконно-оптические линии. Современные телефонные компании используют оптическое волокно во всех своих системах, в качестве фундамента для строительства линий передачи данных и как обеспечение связи на дальние расстояния между телефонными системами города.

Кабельные телевизионные компании также начали интегрировать волоконно-оптические сети в свои кабельные системы. Магистральные линии, которые соединяют центральные офисы, как правило, заменяют оптическим волокном. Некоторые провайдеры уже начали экспериментировать с оптоволокном, используя волоконно-коаксиальный гибрид. Такой гибрид позволяет объединить волоконно-оптическую и коаксиальную технологию в одном месте. Это место, называется узлом, представленным оптическим приемником, который преобразует световые импульсы обратно в электронные сигналы. Эти сигналы могут затем быть поданы в отдельные дома по коаксиальному кабелю.

Локальные вычислительные сети (ЛВС) являются коллективной группой компьютеров или компьютерных систем, соединенных друг с другом и позволяющих совместно использовать программы, программное обеспечение или базы данных. Колледжи, университеты, офисные здания и промышленные предприятия – все используют оптическое волокно в пределах своих систем ЛВС.

Энергетические компании являются развивающейся группой, которая начала использовать волоконно-оптические технологии в своих системах связи. В большинстве энергокомпаний уже есть волоконно-оптические системы связи, которые используются для мониторинга их систем энергоснабжения.

Около 10 миллиардов цифровых битов могут быть переданы в секунду по волоконно-оптической линии в коммерческой сети, этого достаточно, чтобы совершить десятки тысяч телефонных звонков. Нити оптического волокна состоят из двух концентрических слоев высокочистого кварцевого стекла, сердцевины и оболочки, которые заключены в защитную внешнюю оболочку. Световые лучи модулируются в цифровые импульсы с помощью лазера или светоизлучающего диода, они двигаются вдоль сердечника, не проникая оболочки кабеля.

Свет остается приуроченным к ядру, поскольку оболочка имеет более низкий показатель преломления, и в меру своей способности искривляют свет. Ускорение передачи данных в оптических волокнах, наряду с развитием новых лазеров и диодов, может в один прекрасный день позволить коммерческим волоконно-оптическим сетям выполнять триллионы битов передачи данных в секунду.

Поскольку оболочка оптического кабеля имеет более низкий показатель преломления, лучи света отражаются обратно в активную зону, если они сталкиваются с оболочкой под небольшим углом. Луч, преломление которого превышает определенный «критический» угол выходит из оптического волокна.

ШАГ-ИНДЕКС многомодового оптоволоконного кабеля имеет большое ядро, до 100 мкм в диаметре. В результате, некоторые из световых лучей, которые составляют цифровой импульс, могут перемещаться по прямому маршруту, в то время как другие перемещаются зигзагом. Эти альтернативные пути вызывают различные группы световых лучей, называемые режимами, в которых лучи прибывают отдельно на приемный пункт. Импульс, совокупность различных режимов, начинает распространяться, теряя свою четко определенную форму. Возникает необходимость оставить интервал между импульсами, чтобы избежать перекрытия пропуска импульса за пределы полосы, то есть. Следовательно, этот тип волокна лучше всего подходит для передачи данных на короткие расстояния, в эндоскоп, например.

Градиентной многомодового оптоволоконного кабеля содержит ядро, в котором показатель преломления постепенно уменьшается от центральной оси наружу в сторону оболочки. Чем выше показатель преломления в центре, тем медленнее движутся лучи света. Кроме того, вместо движения зигзагами от облицовки, свет в основных кривых движется спирально из градуированного индекса, уменьшая его путь. Укороченный путь и высокая скорость позволяют свету находиться периферии, поэтому чтобы прибыть в приемник примерно в то же время, луч должен быть прямым в оси сердечника. Результат: цифровой импульс страдает меньше от дисперсии.

Световод в одномодовом волоконно-оптическом кабеле имеет узкое ядро (восемь микрон или меньше), а показатель преломления между сердцевиной и изменениями оболочки меньше, чем для многомодовых волокон. Таким образом, свет проходит параллельно оси, создавая небольшую дисперсию импульса. Для оказания услуг телефонии и кабельного телевидения устанавливают миллионы километров этого волокна каждый год.

Модульная конструкция кабелей с отрывными трубами, как правило, содержит до 12 волокон в буферной трубке, максимально на кабеле подсчитывается более 200 волокон. Конструкция сыпучего трубчатого кабеля может содержать диэлектрик или, возможно, бронировку. Модульная конструкция буферной трубки позволяет легко высаживать группу волокон в промежуточных точках, не мешая другим защищенным буферным трубокам, направляемым в других местах. Конструкция с отрывными трубками также помогает в идентификации и управлении волокон в системе.

Одноволоконного кабеля в плотном буфере используются в качестве косички, коммутационные шнуры и перемычки прекращаются в отрывных трубках кабелей непосредственно в оптоэлектронных передатчиках, приемниках и других активных и пассивных компонентах.

Мультиволокна в плотном буфере кабеля также доступны и используются в основном для альтернативной маршрутизации, они легко поддаются обработке, обладают гибкостью и простотой монтажа в зданиях.

Конструкции кабеля с отрывными трубами содержит оболочку из цветных пластмассовых буферных трубок и защиту оптических волокон. Гелевый наполнитель препятствует проникновению воды внутрь кабеля. Превышение длины волокна (относительно буфера длины трубы) изолирует волокна от напряжений установки и нагрузки на окружающую среду. Буферные трубки скручены вокруг диэлектрика или стали центральным элементом, который служит в качестве элемента защиты от потери устойчивости.

Жильный кабель, как правило, использует арамидные волокна, в качестве элемента первичной прочности на разрыв. Если требуется армирование, гофрированной стальной лентой формируется оболочка вокруг одного экранированного кабеля с дополнительным жакетом, экструдированным над броней.

При плотном буфере в конструкции кабелей, буферное вещество находится в непосредственном контакте с волокном. Эта конструкция подходит для «соединительных кабелей», соединяющих внешние кабели к терминальному оборудованию, а также для соединения различных устройств сети в помещениях.

Мультиволокно в плотном буфере кабеля часто используются для внутриведомственных зданий, стояков и общего строительства.

В плотном буфере конструкция обеспечивает прочную конструкцию кабеля для защиты отдельных волокон в процессе обработки, маршрутизации и передачи информации. Упрочненные нити держат нагрузку на разрыв от волокна.

Как и в случае с кабелями с отрывными трубами, оптические характеристики для плотно буферных кабелей должны также включать максимальную производительность всех волокон в диапазоне рабочих температур и срока службы кабеля. Средние значения не приемлемы.

Волоконная оптика нашла широкое применение в различных отраслях промышленности, но нигде они не встречаются также часто, как в области телекоммуникаций. Первоначально, по мнению многих, волоконно-оптическая технология представлялась непомерно дорогой и не имела практических применений, сейчас она трансформировала саму инфраструктуру РТО. Она достигла этого из-за двух очень простых преимуществ, которыми она выигрывает у меди: (1) способность передавать данные на более высоких скоростях и с меньшими потерями (2) способность делать это при более низких скоростях без возникновения ошибок. Не следует забывать, что это только из-за широкого поглощения волоконно-оптической передачи, многие из новых протоколов с высокой скоростью передачи данных, таких как, ретрансляции кадров, SMDS, SDH и ATM имеют место в современном обществе.