Области использования ОВ и ВОКС

Лекция 1

Введение в передачу сигнала по оптическому волокну

План:

1. История развития ОВ;

2. Области использования ОВ и ВОКС;

3. Модель волоконно-оптической системы передачи;

4. Преимущества и недостатки использования ОВ в системах связи;

5. Физико-химические свойства оптических волокон;

6. Технология изготовления ОВ.

История развития ОВ

История передачи информации с помощью луча света уходит в глубь веков. Наиболее близкие к нам изобретения относятся к 90-м гг. XVIII в.: И.П. Кулибин (в России) и К. Шапп (во Франции) независимо друг от друга изобрели оптический телеграф, а в 1880 г. Александр Грехем Белл установил телефонную связь между крышами двух домов в Вашингтоне, используя сфокусированный солнечный луч. Эти системы использовали передачу света через атмосферу.

Первые световоды появились в России в 70-е гг XIX в. (1874-76).1870гг. Русский электротехник В.Н. Чиколев использовал полые, зеркальные внутри, металлические трубы для освещения одной дуговой лампой нескольких помещений, в том числе и пороховых погребов, где использование таких ламп было взрывоопасным. Однако мысль о передаче информации с помощью луча света, распространяющегося по световоду, пришла к ученым почти через 100 лет (в 60-е гг. ХХ в.).

В 1954г. Н.Г. Басов и А.М. Прохоров (в России) и независимо от них Ч.Таунс (в США) сделали величайшее открытие века: создали источник микроволнового когерентного излучения – газовый квантовый генератор, названным лазером, а в 1959 г. Н.Г. Басов с сотрудниками предложил использовать полупроводниковые материалы для создания твердотельных световых квантовых генераторов, названых лазерами. Слово "лазер" составлено из первых букв фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света с помощью индуцированного излучения.

В 1965-66 гг. британская телефонная компания STL выдвинула идею использования стеклянного волокна для оптической связи. Это было реально при условии очистки стекла до уровня, обеспечивающего потери в 20 дБ/км. Указанная идея была опубликована К.Ч. Као и Дж.А. Хоклхемом в журнале "IEEE Proceedings" в 1966 году.

В 1956 г. впервые в мире О.Ф. Косминский (в России, Ленинград) предложил использовать оптический диапазон длин волн для передачи больших объемов информации по искусственным оптическим линиям передачи. В 1957-58 гг. он и В.Н. Кузьмичев обосновали общую схему световодной системы связи, основные принципы построения оптических многоканальных систем связи, основные типы световодов.

Первые публикации о разработке отечественных стеклянных волоконных световодов, предназначенных для передачи информации, появились в 1975 г. (Е.М. Дианов, ФИАН, и Г.Г. Девятых с сотрудниками, ИХАН). Первые световоды имели диаметр сердцевины 35 мкм и внешний диаметр 130 мкм, их длина составляла 100-130 м. Минимальные потери до 10 дБ/км были получены в диапазоне длин волн 0,7-0,9 мкм в световоде со ступенчатым профилем показателя преломления.

К началу 80-х г.г в на имеющихся экспериментальных и опытных образцах компонентов были созданы, опробованы и получены результаты НИР по созданию ВОЛС различного назначения. В частности, были разработаны бортовые ВОЛС для подвижных объектов: самолетов, кораблей, танков и др. Эти линии имели небольшую длину, использовали преимущественно волокно с диаметром сердцевины 200-400 мкм, световоды и pin-фотодиоды диапазона 0,85 мкм. Главным преимуществом ВОЛС перед традиционными системами связи на борту была их невосприимчивость к электромагнитным полям.

Под руководством Е.М.Дианова в 80-е гг., широко развернулись работы по созданию технологии ОМ-волокна и, кроме того, продолжались ранее начатые работы по усовершенствованию технологии градиентных ММ-волокон. Направления работ по волокну определяли требования к оптическому кабелю, основными из них были:

-уменьшение и достижение предельно низких, близких к теоретическому минимуму, потерь в волокне;

-увеличение ширины полосы пропускания или сведения к минимуму дисперсии;

-увеличение прочности волокна;

-снижение потерь, возникающих при использовании ОВ при отрицательных температурах;

-повышение радиационной стойкости волокна.

Для одномодовых волокон, полученных методом химического осаждения из газовой фазы на внутреннюю поверхность опорной трубки, к 1988 г. были достигнуты потери, близкие к теоретическому пределу; на длине волны 1,3 мкм – 0,36 дБ/км и на длине волны 1,55 мкм – 0,21 дБ/км.

К концу 80-х гг. в России была частично создана, а на 90% закуплена за рубежом технологическая база для выпуска ОВ. Разработки ведущих НИИ, а особенно АН СССР, отличались высокими характеристиками и неплохим качеством, но получить промышленное волокно с такими же характеристиками не удалось.

Отечественное промышленное волокно серьезно уступало зарубежному по прочности и стабильности характеристик при эксплуатации. Причина тому видится в изначальном распылении средств на разработку и промышленный выпуск между предприятиями многих министерств. Одного только оборудования было закуплено не менее чем для 10 институтов и стольких же заводов. Низкое качество отечественного волокна вынудило Минсвязь сделать ставку на импортное волокно при производстве отечественных ОК, так как это было экономически целесообразнее при прокладке ВОЛС, которые в то время начали широко внедряться. Учитывая, что Министерство связи является самым мощным по объемам потребителем ОК, производство отечественного ОВ в начале 90-х гг. было практически остановлено.

Первым ОК для городских линий связи, освоенным в серийном производстве на ОЗ ВНИИКП в 1985-86 гг. был ОК-50 ("Каштан"). Oн имел 4-8 волокон "кварц-полимер", работал на длине волны 0,85 мкм, вносил затухание 3-5 дБ/км, имел широкополосность 250-500 Мгц/км.

Следующей серийной разработкой ВНИИКП в 1987 г. был кабель ОЗКГ-1 ("Калибр") для зоновых линий связи первого поколения. Кабель использовал градиентные волокна на длине волны 1,3 мкм, имел затухание 0,7-1,5 дБ/км, кроме 4 (8) волокон предусматривались 4 медные жилы для дистанционного питания линейного оборудования. Конструктивно кабель содержал центральный профильный элемент и свободно располагающиеся в пазах сердечника волокна. Укладка ОВ осуществлялась одновременно с закруткой профилированного сердечника и введением гидрофобного заполнения.

К концу 1990 г. было разработано второе поколении ОК: городские с ОМ- и ММ-волокнами на длине волны 1,3 мкм с затуханием до 0,7 дБ/км и кабели дальней связи на длине волны 1,55 мкм с затуханием до 0,3 дБ/км (марки ОКЛ).

К настоящему времени ОВ оказалось той средой передачи, которая смогла справиться с огромными потоками информации.

Практическая реализация сверхскоростных ВОЛС и систем на их основе связана с решением целого ряда научных и инженерно-технических проблем. Среди них особое место занимает освоение технологии волнового уплотнения (DWDM) и солитонной оптической связи.

Области использования ОВ и ВОКС

ВОС является областью техники, которая возникла в результате объединения оптической связи — передачи информации в виде модулированного пучка света — и волоконной оптики — распространения света внутри гибких ОВ.

Каждая из этих областей характеризуется ограниченным примене­нием при отдельном использовании. Однако их объединение дает дополнительные преимущества, которые обусловили широкое вне­дрение средств волоконно-оптической связи в различных отраслях производства.

Одним из основных направлений современного научно-технического прогресса является всестороннее развитие ВОСС, обеспечивающих возможность доставки на значительные расстояния чрезвычайно большого объема информации с наивысшей скоростью. Уже сейчас имеются ВОЛП большой информационной емкости с длиной регенерационных участков до 200 км и более. Столь интенсивный прогресс волоконно-оптических телекоммуникационных технологий невозможен без достижений в теории передачи информации, физики и технологии изготовления элементов ВОЛП

На ж.д. различных стран мира средства ВОС применяются с 1985 г. В настоящее время можно выделить четыре области, связанные с их использованием на ж.д.т.: волоконно-оптические линии связи (ВОЛС); локальные вычислительные оптические сети (ЛВОС); системы видео­наблюдения; волоконно-оптические преобразователи (ВОП).

Общим для них является применение электронно-оптических и оптоэлектронных преобразователей и оптических волокон.

Волоконно-оптические линии связи. Первая ВОЛС на РЖД была создана в 1985 г. и долгое время (до 1992 г.) являлась наиболее протяженной ВОЛС (120 км) не толь­ко на транспорте, но и среди ВОЛС Министерства связи. В Казахстане впервые ВОЛС была проложена в 1999 г. На сегодня протяженность телекоммуникационной сети в Казахстане составляет 11 500 километров. Она соединяет между собой областные центры, Алматы и Астану. Это уже третья точка ее выхода к северному соседу. Две предыдущие — Петропавловск — Кормиловка и Шымкент — Кызылорда — Актобе — Атырау — граница с Россией — вошли в строй в 1999 и 2001 годах. Основная цель состоит в наиболее эффективном использовании транзитного потенциала страны, выгодного географического положения Казахстана в центре Евразийского континента. Что позволяет передавать большие информационные потоки между Азией и Европой по кратчайшему транзитному маршруту

Для работы опытной цифровой ВОСП информации «Свирь» использовался многомодовый ВОК, проложенный в грунте. Созданная линия связи обеспечивала организацию двух линейных трактов со скорос­тью передачи информации 8,448 Мбит/с каждый. Один из трактов ВОСП «Свирь» предназначен для организации каналов ОТС на участке, другой — для дорожных видов связи между оконечными станциями.

Несмотря на большую стоимость и сложность в монтаже, перспективными для ж.т. являются одномодовые ВОК, обладающие практически неограниченными возмож­ностями в увеличении пропускной способности ВОЛС, оборудуемых ВОСП синхронной цифровой иерархии (SDH). Использование многомодовых ВОК в основном ограничено местными и внутриобъектовыми сетями.

В МТК имеется опыт проектирования и реализации различных способов прокладки-подвески ВОК на различных участках: непос­редственно в грунт, в полиэтиленовом трубопроводе, в кабельном желобе, подвеска самонесущего кабеля на опорах контактной сети или высоковольтных линий автоблокировки.

Из перечисленных способов в настоящее время наиболее широко применяется подвеска на опорах контактных сетей электрифицированных ж.д.. Это позволяет сократить сроки строительства по сравнению с традиционными способами прокладки кабеля в грунт.

Вместе с тем считается, что риск механического повреждения для воздушных кабелей выше, чем для кабелей, проложенных под зем­лей. Поэтому там, где позволяет трасса, целесообразно применять подземные варианты прокладки.

Локальные вычислительные оптические сети (ЛВОС). Локаль­ные сети получили в последние годы широкое распространение во всех службах, подразделениях ж.т. в связи с интенсивным внедрением компьютеров, созданием автоматизиро­ванных рабочих мест и распределенных информационных систем.

Главная цель создания локальных сетей — повышение производи­тельности труда за счет автоматизации всех форм деятельности работ­ников ж.т.

Локальные сети относятся к классу распределенных систем обра­ботки данных, объединяющих вычислительно-информационные сред­ства отдельных подразделений, предприятий, информационно-вычис­лительных центров дистанций и др., сосредоточенных на ограничен­ной территории.

С ВОЛС локальные вычислительные оптические сети роднит оди­наковая передающая среда, но существенное отличие состоит в мас­штабах, степени разветвленности и количестве оконечных устройств, что не позволяет механически переносить в ЛВОС применяемые на ВОЛС технические или иные решения.

Системы видеонаблюдения. В последние годы на ж.д. постоянно ужесточаются требования, предъявляемые к надежно­сти, безопасности и экономичности пассажирских и грузовых пере­возок. Видеонаблюдение является одним из важнейших и рацио­нальных способов удовлетворения этих требований.

Система видеонаблюдения включает три основных компонента: передающие видеокамеры, средства передачи видеосигналов и теле­визионные мониторы, на которых можно наблюдать контролируемые объекты.

Видеосигналы могут передаваться по отдельным волокнам ВОЛС или в общем цифровом потоке ЦВОСП. Выбор одного из этих способов передачи информа­ции зависит от удаленности контролируемого объекта.

При построении видеосистем с расстоянием передачи видеосигна­лов в пределах до 100 км целесообразно использовать отдельные волокна, в которых передачи видеосигналов реализуются технически проще и несколько дешевле, чем при использовании оборудования цифровых сетей связи. Одно ОВ может быть исполь­зовано для передачи нескольких видеоканалов или видеоканала и сигналов от различных датчиков, установленных на объекте. При рас­стояниях больше 100 км целесообразно использовать возможности ЦВОСС.

Набор аппаратных компонентов системы видеонаблюдения в об­щем виде представлен на рисунке 1.1. Передающие видеокамеры черно-белого или цветного изображения передают видеосигнал на передаю­щее оборудование: мультиплексор с функциями выделения каналов (при работе нескольких видеокамер) и электронно-оптический преоб­разователь, обеспечивающий преобразование электрического сигнала в оптический. В зависимости от типа ОВ и рассто­яния до контролируемого объекта в качестве источника оптического излучения может использоваться светоизлучающий диод или лазер.

На посту управления устанавливается приемное оборудова­ние — демультиплексор, видеоматричный переключатель, устройство для ввода текста и мониторы. Видеоматричный переключатель обес­печивает выбор любого из всех доступных видеосигналов, а устрой­ство для ввода текста позволяет накладывать на видеосигнал тексто­вые пояснения, помогающие правильно оценить изображение.

Рисунок 1.1 - Основные компоненты системы видеонаблюдения:

1 — передающий полукомплект с видеоматричным переключателем и устрой­ством ввода текста; 1* — передающий полукомплект с функцией выделения каналов; 2 — приемный полукомплект

Волоконно-оптические преобразователи (ВОП). ВОП достаточно широко внедряются на зару­бежных ж.д. в последнее десятилетие. На их основе создаются различные типы датчиков контроля и регистрации физи­ческих воздействий (давления, температуры, механических напряже­ний, электрического и магнитного полей и др.), а также системы датчиков контроля и регистрации многих, одновременно действую­щих, однородных и неоднородных величин. Такими датчиками обо­рудуется подвижной состав (электровозы, высокоскоростные поез­да), горки, терминальные площадки, тоннели, мосты, приборы неразрушающего контроля и др. Область их применения на транспор­те постоянно расширяется. Это связано с рядом преимуществ, прису­щих ВОП, и общей концепцией интеграции различных средств ВОС на основе ВОЛС и ЛВОС.

Очевидным преимуществом ВОП по сравнению с другими типами преобразователей является отсутствие электрического потенциала, что устраняет проблемы электромагнитной совместимости и безопаснос­ти. ОВ является чувствительным элементом ВОП и представляет собой низкоинерционный датчик, различные физические воздействия на который вызывают изменения параметров оптической волны: интенсивности, фазы, поляризации, длины волны и спектраль­ного уплотнения.

Высокая разрешающая способность ВОП, относительная простота, низкая стоимость и универсальность способствуют их внедрению на ж.т., особенно при создании цифровых ВОСС.

Различают два типа ВОП: с внешней и внутренней модуляцией параметров светового потока.

Принцип действия первых основан на том, что в ОВ введена нерегулярность в виде разрыва, в результате чего световой поток, покидающий ОВ, модулируется в пространстве вне его, а затем собирается и отводится этим же или другим ОВ. Изме­нения параметров самого ОВ не происходит.

ВОП второго типа основаны на том, что измеряемая величина через фи­зическое воздействие на ОВ приводит к изменению его оптических параметров. Этот тип ВОП наиболее часто используется в зарубежных ж.д. системах и устройствах. В них применяются как одномодовые (с реализацией задержки фазы излучений и фазовых эффектов), так и многомодовые ОВ с реализацией изменения интенсивности потока излучения. По этому признаку ВОП делятся на преобразователи с модуляцией фазы и с модуляцией интенсивности. Оба типа ВОП обладают высокой чувствитель­ностью и достаточно широким диапазоном измеряемых воздействий.