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.