В волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) применяют электромагнитное излучение инфракрасного диапазона с длиной волны более 760 нм (видимое оптическое излучение лежит в диапазоне длин волн 380...760 нм). Электромагнитное излучение передается вдоль оптического волокна (ОВ), которое расположено внутри волоконно-оптического кабеля.
Волоконно-оптический кабель, используемый в сетях телекоммуникаций, может содержать от 2 до 48 (и даже больше) отдельных волокон. Два волокна оптического кабеля, упакованных в изолирующую защитную оболочку, обеспечивают полно-дуплексную связь: одна жила кабеля – для передачи, вторая – для приема.
Достоинством волоконно-оптического кабеля является отсутствие необходимости скручивания волокон или их экранирования, т.е. отсутствуют проблемы перекрестных помех (crosstalk) и взаимное влияние между волокнами.
Оптические волокно представляет собой двухслойную цилиндрическую структуру в виде сердцевины (оптического световода) и оболочки (рис. 11.1). Причем, сердцевина и оболочка имеют разную оптическую плотность или показатель преломления n. Чем больше оптическая плотность материала, тем больше замедляется свет по сравнению со скоростью в вакууме. Значение показателя преломления сердцевины n1 выше показателя преломления n2 оболочки (n1> n2).
Рис.11.1 - Конструкция оптического волокна
Передача оптического излучения по световоду реализуется за счет свойства полного внутреннего отражения, которое обеспечивается неравенством показателей преломления сердцевины и оболочки n1>n2, при этом сердцевина с большим показателем преломления является оптически более плотной средой.
Когда луч света 1 (рис.11.2) падает на границу раздела двух прозрачных материалов с коэффициентами преломления n1 и n2, причем n1 > n2, свет делится на две части. Часть светового луча отражается назад в исходную среду (сердцевину) с углом отражения J3 равным углу падения J1.
Рис.11.2. - Отражение и преломление лучей света
Другая часть энергии светового луча пересекает границу раздела двух сред и вступает во второе вещество (оболочку) под углом J2. Эта часть энергии, попавшая в оболочку, характеризует потери энергии, которая должна была распространяться по сердцевине. При увеличении угла падения J1 возрастает угол преломления J2. При некотором значении угла J1, называемом критическим Jкр, луч 2 (рис. 11.2) не преломляется; часть его отражается, а часть скользит вдоль границы раздела, т.е. угол преломления равен 90о. При условии, что угол падения будет больше критического J1 > Jкр и n1 > n2, например луч 3 на рис. 11.2, наступает эффект полного внутреннего отражения, когда вся энергия светового луча остается внутри сердцевины с коэффициентом преломления n1, т.е. луч света распространяется по световоду без потерь на большое расстояние. Таким образом, для полного внутреннего отражения необходимо выполнение условий:
J1 > Jкр,
n1 > n2.
Диапазон углов падения лучей света (рис.11.2), входящих в волокно, при котором реализуется первое условие полного внутреннего отражения, называется числовой апертурой волокна (numerical aperture of the fiber).
Лучи света должны входить в сердцевину только под углом, находящимся внутри числовой апертуры волокна (рис.11.3). Поскольку лучи входят под разными углами, то они отражаются от границы раздела сердцевины и оболочки под разными углами и проходят разное расстояние до устройства назначения (рис.13.2, 13.3а). Эти составляющие лучей света называются модами. Возникновение мод возможно, если диаметр сердцевины сравнительно большой (рис.13.3а). Такое волокно называется многомодовым (multimode). В стандартном многомодовом оптическом кабеле используется сердцевина диаметром 62,5 или 50 микрон и оболочка диаметром 125 микрон. Такие кабели обозначаются 62,5/125 или 50/125.
Рис.11.3 - Многомодовое (а) и одномодовое (б) волокно
Наличие многих мод приводит к появлению межмодовой дисперсии (размыву) передаваемого импульсного сигнала. Из-за дисперсии снижается скорость передачи данных, т.к. размытые импульсы накладываются друг на друга, и уменьшается расстояние, на которое можно передать данные. Для снижения влияния многих мод на величину дисперсии при большом диаметре сердцевины разработано многомодовое волокно с градиентным показателем преломления.
В зависимости от вида профиля показателя преломления сердцевины различают ступенчатые и градиентные ОВ. В отличие от ступенчатых ОВ, в которых показатель преломления сердцевины постоянен (рис. 11.4, а), в градиентных ОВ показатель преломления сердцевины плавно меняется вдоль радиуса от максимального значения на оси до значения показателя преломления оболочки (Рис. 11.4, б).
Одномодовое волокно (singlemode) имеет меньший диаметр сердцевины, что позволяет только одной моде луча света распространяться по сердцевине вдоль оси волокна (рис.11.4б). Диаметр сердцевины одномодового волокна уменьшен до восьми – десяти микрон. Обычно одномодовое волокно маркируют следующим образом – 9/125. Это означает, что диаметр сердцевины составляет 9 микрон, а оболочки – 125 микрон. Одномодовое волокно более дорого по сравнению с многомодовым. Однако в одномодовых кабелях выше скорость передачи данных и больше расстояние, на которое могут быть переданы данные.
В одномодовом волокне межмодовая дисперсия отсутствует. Однако, существует хроматическая дисперсия, которая характерна как для многомодового, так и для одномодового волокна. Хроматическая дисперсия возникает из-за того, что волны света разной длины проходят через оптическое волокно с различными скоростями. В идеале светодиод или лазер должны генерировать свет только одной частоты, тогда хроматической дисперсии не было бы. К сожалению, лазеры и особенно светодиоды генерируют целый спектр частот (длин волн). Поэтому хроматическая дисперсия ограничивает расстояние и скорость передачи данных.
На сигналы в волоконно-оптическом кабеле не влияют источники внешнего шума, которые вызывают проблемы в медных кабелях. Кроме того, передача света по одному волокну в кабеле не оказывает влияния на другое волокно. Это означает, что отсутствуют проблемы перекрестных помех (crosstalk). Качество оптических волокон настолько высокое, что расстояние передачи, определенное стандартом Gigabit Ethernet составляет до 5 км, а стандартом 10Gigabit Ethernet - до 40 км, что намного превышает традиционную двухкилометровое расстояние сегмента Ethernet. Поэтому волоконно-оптические линии связи используются в городских Metropolitan Area Networks (MANs) и глобальных сетях Wide Area Networks (WANs). В многоканальных системах передачи технологии SDH расстояние без использования регенераторов превышает100 км.
