previous up next index search
Previous: 3.1 Кабельные каналы связи    UP: 3 Каналы передачи данных
    Next: 3.3 Беспроводные (радио) каналы и сети

3.2 Оптоволоконные каналы и беспроводные оптические связи

Семенов Ю.А. (ИТЭФ-МФТИ)
Yu. Semenov (ITEP-MIPT)


Мультимодовые и одномодовые волокна
Влияние дисперсии на полосу пропускания
Источники шумов
Передающие устройства и их характеристики
Приемные устройства и их характеристики
Диапазоны длин волн
Характеристики волокон
Пассивные разветвители
Мультиплексирование/демультиплексирование по длине волны
Беспроводные оптические каналы = FSO
FTTN, FTTC, FTTP, FTTB

А.Г.Белл в 1880 году запатентовал фотофон - прибор для передачи голоса посредством светового сигнала с селеновым фотодетектором. Первые коммерческие телефонные системы были созданы лишь в 1977 году и работали со скоростью 44,7 Мбит/с. Одномодовые волоконные кабели начали производиться в 1983 году.

В 1990 году Линн Моллинер (Bellcore) продемонстрировал передачу данных со скоростью 2,5Гбит/c на расстояние 7500 км (без промежуточных усилителей сигнала). В 1990 году в США суммарная протяженность оптических волокон составляла около 9000000 км.

В 2000 году общая длина оптоволокон только в США превысила 30 миллионов километров. Оптоволоконные линии связи работают в частотном диапазоне 1013 - 1016Гц, что на 6 порядков больше, чем в случае радиочастотных каналов (это обеспечивает пропускную способность 50000 Гбит/c). Но земная атмосфера является плохой средой для распространения света. По этой причине только разработка кремниевых волокон с низким коэффициентом поглощения в инфракрасном диапазоне (< 0,2 дБ/км) сделало возможным широкое распространение оптических каналов связи. Укладывается ~1000км оптоволоконного кабеля в день. В настоящее время каналы обычно имеют пропускную способность ~1Гбит/c и это связано с ограниченным быстродействием оборудования, преобразующего оптический сигнал в электрический и обратно. В ближайшие годы следует ожидать увеличения быстродействия таких устройств в 100-1000 раз. Учитывая, что

Df = (cDl)/l2, где с - скорость света, f - частота, а l - длина волны.

В 2002 году компанией Zonu разработан фототрансивер (GBIC) на 1,25Гбит/c для передачи и приема данных по одному и тому же волокну при длине волны 1310 нм. Для одномодового волокна расстояние передачи может составлять до 10 км. При длине волны 1550 нм достижимо расстояние передачи в 40 км. Разрабатывается вариант для скоростей передачи 2,5Гбит/c

Оптоволоконное соединение гарантирует минимум шумов и высокую безопасность (практически почти невозможно сделать отвод). Пластиковые волокна применимы при длинах соединений не более 100 метров и при ограниченном быстродействии (<50 МГц). В последнее время (2006-7г) разработаны пластиковые волокна, пригодные для передачи со скоростью 40 Гбит/c при длине кабеля 30м и со скоростью 5,35 Гбит/c при длине кабеля 220м (Lightware N4 2007). Вероятность ошибки при передаче по оптическому волокну составляет <10-10, что во многих случаях делает ненужным контроль целостности сообщений.

При построении сетей используются многожильные кабели (рис. 3.2.1; существуют и другие разновидности кабеля: например, двух- или четырехжильные, а также плоские). В верхней части рисунка [a] изображено отдельное оптоволокно, а в нижней [Б] сечение восьмижильного оптического кабеля. Свет (длина волны l ~ 1350 или 1500 нм) вводится в оптоволокно (диаметром d<100m) с помощью светоизлучающего диода или полупроводникового лазера. Центральное волокно покрывается слоем (клэдинг, 1А), коэффициент преломления которого меньше чем у центрального ядра (стрелками условно показан ход лучей света в волокне). Для обеспечения механической прочности извне волокно покрывается полимерным слоем (2А). Кабель может содержать много волокон, например 8 (1Б). В центре кабеля помещается стальной трос (3Б), который используется при прокладке кабеля. С внешней стороны кабель защищается (от крыс!) стальной оплеткой (2Б) и герметизируется эластичным полимерным покрытием.

Рис. 3.2.1. Сечение оптоволоконного кабеля

Мультимодовые и одномодовые волокна

Существует несколько типов оптических волокон, обладающих различными свойствами. Они отличаются друг от друга зависимостью коэффициента преломления от радиуса центрального волокна. На рис. 3.2.2 показаны три разновидности волокна (А, Б и В). Буквами А и Б помечен мультимодовый вид волокон. Тип Б имеет меньшую дисперсию времени распространения и по этой причине вносит меньшие искажения формы сигнала. Использование такого профиля показателя преломления приводит к уменьшению дисперсии до 1 нсек/км и даже менее. Установлено, что, придавая световым импульсам определенную форму (обратный гиперболический косинус), дисперсионные эффекты можно полностью исключить. При этом появляется возможность передавать импульсы на расстояние в тысячи километров без искажения их формы. Такие импульсы называются солитонами.

В 1990 году Линн Моллинар, сотрудник Bellcore, продемонстрировал возможность передачи данных без регенерации со скоростью 2,5 Гбит/с на расстояние 7500 км. В системе Моллинара лазер работал в солитоновом режиме и использовалось волокно с добавками эрбия, что обеспечивало усиление сигнала.

Солитоновая технология позволяет проложить оптоволоконные кабели по дну Атлантического и Тихого океанов без промежуточных усилителей.

При современных же технологиях необходимо использовать повторители через каждые 30 км (против 5 км для медных проводов). По сравнению с медными проводами оптоволоконные кабели несравненно легче. Так одна тысяча скрученных пар при длине 1 км весит 8 тонн, а два волокна той же длины, обладающие большей пропускной способностью, имеют вес 100кг. Это обстоятельство открывает возможность укладки оптических кабелей вдоль высоковольтных линий связи, подвешивая или обвивая их вокруг проводников.

Рис. 3.2.2. Разновидности оптических волокон, отличающиеся зависимостью коэффициента преломления от радиуса

Буквой В помечен одномодовый вид волокна (понятие мода связано с характером распространения электромагнитных волн). Мода представляет собой одно из возможных решений уравнения Максвелла. В упрощенном виде можно считать, что мода - это одна из возможных траекторий, по которой может распространяться свет в волокне.


Чем больше мод, тем больше дисперсионное искажение формы сигнала. Одномодовое волокно позволяет получить полосу пропускания в диапазоне 50-100 ГГц-км. Типовое значение модовой дисперсии лежит в пределах от 15 до 30 нсек/км.

Следует иметь в виду, что эффективность разных мод различна. В некоторых модах свет вообще не переносится. Более того энергия может перетекать из одной моды в другую. Это связано с изгибами волокна и вариациями коэффициента преломления. По мере движения свет будет переходить из одной моды в другую, пока не будет достигнуто равновесное распределение мод. После этого перераспределения энергии между модами не происходит.

Эта разновидность волокна воспринимает меньшую долю света на входе, за то обеспечивает минимальное искажение сигнала и минимальные потери амплитуды. Следует также иметь в виду, что оборудование для работы с одномодовым волокном значительно дороже. Центральная часть одномодового волокна имеет диаметр 3-10 m, а диаметр клэдинга составляет 30-125 m. Число мод, допускаемых волокном, в известной мере определяет его информационную емкость. Модовая дисперсия приводит к расплыванию импульсов и их наезжанию друг на друга. На поляризационную модовую дисперсию влияют нарушения круговой симметрии, механическое напряжения, сдавливание, изгиб и скручивание волокна. Все эти факторы оказываются существенными при переходе на скорости передачи порядка 10 Гбит/c или выше. Дисперсия зависит от диаметра центральной части волокна и длины волны света. Число мод N равно для волокна типа А:

,

где d - диаметр центральной части (ядра), A - численная апертура волокна, а l - длина волны. Волокно с диаметром центральной части волокна 50 m поддерживает 1000 мод. Для волокна типа Б (рис. 3.2.2) значение n в два раза меньше. Численная апертура А равна , где n1 (~1,48) и n2 (~1,46), соответственно, коэффициенты преломления ядра и клэдинга. Величина А определяет ширину входного конуса волокна q (телесный угол захвата входного излучения) q= arcsinA (~3,370).

Очевидно, что чем больше длина волны, тем меньше число мод и меньше искажения сигнала. Это, в частности, является причиной работы в длинноволновом инфракрасном диапазоне. Но даже для одной и той же моды различные длины волн распространяются по волокну с разной скоростью. Волокно со сглаженным профилем показателя преломления имеет дисперсию 1 нсек/км и меньше. Это, в частности, связано с тем, что свет в перефирийных областях волокна с большей длиной траектории движется быстрее (там ведь меньше коэффициент преломления). Одномодовый режим реализуется тогда, когда длина волны света становится сравнимой с диаметром ядра волокна. Длина волны, при которой волокно становится одномодовым, называется пороговой. Волокно с диаметром 50 микрон может поддерживать до 1000 мод.


В отличие от многомодового волокна, в одномодовом - излучение присутствует не только внутри ядра. По этой причине повышаются требования к оптическим свойствам клэдинга. Для многомодового волокна требования к прозрачности клэдинга весьма умеренны.

Влияние дисперсии на полосу пропускания

Затуханием обычно называется ослабление сигнала по мере его движения по волокну. Оно измеряется в децибелах на километр и варьируется от 300 дБ/км для пластиковых волокон до 0,21 дБ/км - для одномодовых волокон. Полоса пропускания волокна определяется дисперсией. Приближенно полосу пропускания одномодового волокна можно оценить согласно формуле.

BW = 0,187/(Disp*SW*L),

где Disp - дисперсия на рабочей длине волны в сек на нм и на км;
SW - ширина спектра источника в нм;
L - длина волокна в км;

Если диаметр источника света не соответствует диаметру ядра волокна, то потери света, связанные с геометрическим рассогласованием могут быть охарактеризованы следующей формулой.

Потеридиам = 10log10(Диаметрволокна/Диаметристочника)2

Потерь нет, когда волокно имеет диаметр больше диаметра источника света. Если числовая апертура источника больше апертуры волокна, то потери света составят:

Потеридиам = 10log10(Aволокна/Aисточника)2

Источники шумов

Помимо дисперсии быстродействие оптического канала ограничивается шумами. Шумы имеют две составляющие: дробовой и тепловой шум. Дробовой шум определяется соотношением:

isn2= 2eiB,

где е - заряд электрона, i - средний ток, протекающий через приемник, и В - ширина полосы пропускания приемника. Типовое значение дробового шума составляет 25 нА при температуре 25 градусов Цельсия. Тепловой шум характеризуется соотношением:

isn2=(4kTB)/RL

где k - постоянная Больцмана, Т - температура по шкале Кельвина, В - ширина полосы пропускания приемника, RL - сопротивление нагрузки. При полосе в 10 МГц и температуре 298 0К эта составляющая шума равна 18 нА. Одной из составляющих теплового шума является темновой ток, который возрастает на 10% при росте температуры на 1 градус.

Чувствительность приемника задается квантовой эффективностью, которая характеризует отношение числа первичных электронно-дырочных пар к числу падающих на детектор фотонов. Этот параметр часто выражается в процентах (реже в амперах на люмен). Так, если на каждые 100 фотонов приходится 60 пар электрон-дырка, то квантовая эффективность равна 60%. Чувствительность фотодетектора R может быть вычислена на основе квантовой чувствительности. R= (nel)/hc, где е - заряд электрона, h - постоянная Планка, с - скорость света, l - длина волны, а n - квантовая чувствительность.

Источники излучения инжектируемого в волокно имеют конечную полосу частот. Так светоизлучающие диоды излучают свет с шириной полосы 35 нм, а лазеры 2-3 нм (лазеры имеют, кроме того, более узкую диаграмму направленности, чем диоды). Характеристики светодиодов и инжекционных лазерных диодов приведены в таблице 3.2.1.

Передающие устройства и их характеристики

Таблица 3.2.1. Характеристики светодиодов и инжекционных лазерных диодов

Параметры Светодиод (led) Инжекционные лазерные диоды
Выходная мощность 0,5 - 11,5 мВт 3 - 10 мВт
Время нарастания 1 - 20 нс 1 - 2 нс
Диапазон тока смещения 5- - 150 мА 100 - 500 мА

Время нарастания фотодиода ограничивает быстродействие системы. Не малую роль играет и уровень шумов на входе приемника. При этом световой импульс должен нести достаточно энергии (заметно больше уровня шума), чтобы обеспечить низкий уровень ошибок. В таблице 3.2.2 приведены характеристики оптических приемников.

Приемные устройства и их характеристики

Таблица 3.2.2. Характеристики оптических приемников

Параметры pin Лавинный фотодиод Фототранзистор Фотоприемник Дарлингтона
Чувствительность 0,5 мкa/мкВт 15 мкa/мкВт 35 мкa/мкВт 180 мкa/мкВт
Время нарастания 1 нс 2 нс 2 мкс 40 мкс
Напряжение смещения 10 В 100 В 10 В 10 В

Поглощение света в волокне происходит по нескольким причинам. Поглощение в собственно стекле волокна падает с частотой, в то время как потери из-за рассеяния на дефектах стекла (релеевское рассеяние) с увеличением частоты растет. При сгибании волокна поглощение увеличивается. По этой причине следует избегать малых радиусов изгиба (кроме всего прочего это может привести и к обрыву). В результате потери света в волокне обычно лежит в диапазоне (2-5) дБ/км для длин волн 0,8 - 1,8 m. Зависимость поглощения света в волокне от длины волны показана на рис. 3.2.3. Используемые диапазоны отмечены на рисунке зеленым цветом. Все эти диапазоны имеют ширину 25000-30000 ГГц.


При прокладке трасс следует также проявлять расчетливость и осторожность. Так в ИТЭФ несколько лет назад между двумя зданиями был проложен 8-волоконный кабель. На одном из участков не было готовых кабельных каналов, и мы проложили его по воздуху, подвесив к тросу из нержавеющей стали. Кабель был нами разделан, померено затухание сигнала (доли децибела) и около полутора лет он работал без замечаний. Потом мы обнаружили потерю сигнала в одном из волокон и были вынуждены перевести сигнал на одно из резервных. Через некоторое время отказало и оно. Сначала мы предположили плохую заделку кабеля, потом грешили на не слишком хорошую прокладку кабеля на первом этаже одного из зданий (радиус изгиба был около полуметра). В конце концов, нам пришлось пригласить знакомых специалистов из управления перспективных технологий с рефлектометром, которые указали, что имеет место обрыв в 66 метрах от точки разделки кабеля. Что же оказалось?

Обнаружить причину было непросто, даже имея достаточно точное указание. Обрыв был на высоте около 4 м и с земли не виден. В одном месте в 30-40 см от троса находился ствол тополя, который при ветре по нему ударял. Трос перемещался в горизонтальной плоскости. С одной из сторон, где кабель уходил с троса вниз, он огибал болт. При монтаже эта часть кабеля была помещена в стальной рукав, но в процессе раскачивания троса рукав сполз вниз. Резьба болта работала как пила, сначала была повреждена изоляция, затем стальная оплетка и, наконец, были оборваны волокна одно за другим (4 из 8). Дальнейшее разрушение приостановил центральный встроенный в оптический кабель стальной трос. На эту разрушительную “работу” ушло более года, ведь сильный ветер дует не каждый день, да и перепилить стальную проволоку защитной оплетки не простая задача. Пришлось пригласить специалистов, которые устранили обрыв, сварив волокна заново. Надеюсь, что наш негативный опыт окажется полезным для других.


Рис. 3.2.3. Зависимость поглощения света в волокне от длины волны

Диапазоны длин волн

ITU стандартизовал диапазоны длин волн, отображенные на рис. 3.2.3а.

Рис. 3.2.3а. Стандартные диапазоны длин волн ITU

В настоящее время стандартизовано 6 диапазонов длин волн. Смотри таблицу ниже.


Название диапазона Характеристика Интервал длин волн
O Исходный 1260-1360 нм
Е Расширенный 1260-1460 нм
S Коротковолновый 1460-1530 нм
С Стандартный 1460-1530 нм
L Длинноволновый 1565-1625 нм
U Ультрадлинноволновый 1625-1675 нм

Из рисунка видно, что минимумы поглощения приходятся на 1300 и ~1500 нм, что и используется для целей телекоммуникаций. При длине волны 1300 нм дисперсия скоростей распространения различных длин волн минимальна. Диапазон ~850 нм характеризуется высоким поглащением, но он привлекателен тем, что как лазеры, так и электроника могут быть изготовлены из одного материала (арсенида галлия). Используемые оптические диапазоны выделены зеленым цветом. Зависимость дисперсии от длины волны показана на рис. 3.2.4.

Рис. 3.2.4. Зависимость дисперсии от длины волны

Из рисунка видно, что в области ниже 1300 нм более длинные волны движутся быстрее коротких. Для длин волн >1300нм имеет место обратная ситуация - более длинные волны движутся медленнее коротких. Для одномодовых волокон определяющий вклад в искажения вносится дисперсией скоростей распространения, для многомодовых основной вклад вносит модовая дисперсия. Зависимость полосы пропускания волокна от его длины приведена на рис. 3.2.5.

Рис. 3.2.5. Зависимость полосы пропускания волокна от его длины

Типовые характеристики оптических волокон приведены в таблице 3.2.3. (См. также Дональд Дж. Стерлинг, Волоконная оптика. Техническое руководство. Изд. “ЛОРИ, Москва, 1998 а также Дж. Гауэр, Оптические системы связи. Москва, “Радио и связь”, 1989)

Характеристики волокон

Таблица 3.2.3. Типовые характеристики оптических волокон

Тип волокна Диаметр ядра
[мкм]
Диаметр клэдинга
[мкм]
А Затухание
[дБ/км]
Полоса пропускания [МГц/км]
Длина волны 850 1300 1550  
Одномодовое 9,3
8,1
125
125
0,13
0,17
  0,4
0,5
0,3
0,25
5000 для 850 нм
Со сглаженным индексом 50
62,5
85
125
125
125
0,2
0,275
0,26
2,4
3,0
2,8
0,6
0,7
0,7
0,5
0,3
0,4
600 для 850 нм;
1500 для 1300 нм
Ступенчатый индекс 200 380 0,27 6,0     6 при 850 нм

Ниже на рис. 3.2.5А представлены зависимости между принимаемой мощностью, BER (Bit Error Rate) и скоростью поступления данных для стандартного оптического приемника. Рисунок взят из книги "Волоконная оптика" Дональда Дж. Стирлига. Разумеется, данные устарели (по волокнам передаются уже сотни гигабит в сек), но эти зависимости позволяют оценить возможности различных опто-волоконных каналов.

Рис. 3.2.5A. Зависимость между принимаемой мощностью, BER и скоростью поступления данных для стандартного оптического приемника

Одним из критических мест волоконных систем являются сростки волокон и разъемы. Учитывая диаметр центральной части волокна, нетрудно предположить, к каким последствиям приведет смещение осей стыкуемых волокон даже на несколько микрон (особенно в одномодовом варианте, где диаметр центрального ядра менее 10 микрон) или деформация формы сечения волокон.

Соединители для оптических волокон имеют обычно конструкцию, показанную на рис. 3.2.6, и изготовляются из керамики. Потеря света в соединителе составляет 10-20%. Для сравнения сварка волокон приводит к потерям не более 1-2%. Существует также техника механического сращивания волокон, которая характеризуется потерями около 10% (splice). Оптические аттенюаторы для оптимального согласования динамического диапазона оптического сигнала и интервала чувствительности входного устройства представляют собой тонкие металлические шайбы, которые увеличивают зазор между волокном кабеля и приемником.

Рис. 3.2.6. Схема оптического разъема

Если длина волокна должна быть велика из-за расстояния, которое нужно перекрыть, а потребителей по дороге нет, приходится ставить промежуточные усилители сигнала (см. рис. 9.7, присутствие ЭВМ необязательно).

Рис. 3.2.7. Промежуточный волоконный усилитель

С использованием оптических волокон можно создавать не только кольцевые структуры. Возможно построение фрагмента сети, по характеру связей эквивалентного кабельному сегменту или хабу. Схема такого фрагмента сети представлена на рис. 3.2.7 (пассивный хаб-концентратор). Базовым элементом этой субсети является прозрачный цилиндр, на один из торцов которого подключаются выходные волокна всех передатчиков интерфейсов устройств, составляющих субсеть. Сигнал с другого торца через волокна поступает на вход фото приемников интерфейсов. Таким образом, сигнал, переданный одним из интерфейсов, поступает на вход всех остальных интерфейсов, подключенных к этой субсети. При этом потери света составляют 2С + S + 10*log(N), где С - потери в разъеме, S - потери в пассивном разветвителе, а N - число оптических каналов (N может достигать 64). Современные микросхемы приемо-передатчиков (корпус DIP) имеют встроенные разъемы для оптического кабеля (62,5/125мкм или 10/125 мкм). Некоторые из них (например, ODL 200 AT&T) способны осуществлять переключение на обходной оптический путь (bypass) при отключении питания.

Пассивные разветвители

Рис. 3.2.7. Схема пассивного оптоволоконного хаба

В последнее время заметного удешевления оптических каналов удалось достичь за счет мультиплексирования с делением по длине волны. За счет этой техники удалось в 16-160 раз увеличить широколосность канала из расчета на одно волокно. Схема мультиплесирования показана на рис. 3.2.8. На входе канала сигналы с помощью призмы объединяются в одно общее волокно. На выходе с помощью аналогичной призмы эти сигналы разделяются. Число волокон на входе и выходе может достигать 32 и более (вместо призм в последнее время используются миниатюрные зеркала, где применяется 2D-развертка (или 3D)по длине волны). Разработка технологии получения особо чистого материала волокон позволила раширить полосу пропускания одномодового волокна до 100 нм (для волокон с l =1550нм). Полоса одного канала может лежать в диапазоне от 2 до 0,2 нм. Эта технология в самое ближайшее время расширит скорость передачи данных по одному волокну с 1 до 10 Тбит/с.

Мультиплексирование/демультиплексирование по длине волны

Рис. 3.2.8. Мультиплексирование с делением по длине волны в оптическом волокне

Рис. 3.2.9. Схема многоканального мультиплексирования с делением по длине волны в оптическом волокне. TE - терминальное оборудование; L - лазер; M/D - оптический мультиплексор-демультиплексор

Рис. 3.2.10. Схема перенаправления оптических информационных потоков (RINGrid-WP3-D3_1-JKU. State of the art in Networks and Grid Infrastructures. Contract no. 031891)

Для осуществления требуемой маршрутизации часто бывает нужно в коммутационном узле сменить длину волны потока. Схема этой опреации показана на рис. 3.2.11 (a) OADM - (Optical adddrop multiplexer), (b) OXC - (optical cross-connect) - оптическая коммутация , (c) OXC со сменой длины волны.

Рис. 3.2.11. Схема перенаправления оптических информационных потоков со сменой длины волны и без (RINGrid-WP3-D3_1-JKU. State of the art in Networks and Grid Infrastructures. Contract no. 031891)

Замена кабельной оснастки самолета А-7 на волоконно-оптическую позволила сэкономить более 38 кг веса.

Компания IBM с 1990 года начала использовать оптоволоконный канал для подключения к компьютеру дисковых и ленточных накопителей.

Компания NTT ( Nippon Telegraph and Telephone) испытала оптическую технологию для передачи данных со скоростью 400Гбит/c для опорных сетей (см. "NTT tests 400Gbps optical technology for Internet backbone", Tim Hornyak, IDG News Service, Sep 5, 2014). Передача производится на одной длине волны. Разработка выполнена в сотрудничестве с Fujitsu и NEC. Оборудование использует когерентную цифровую технику передачи и пригодно дле пересылки данных на расстояние до 10000 км. Так как емкость современных волокон составляет 8 Тбит/c, данная технология позволит поднять быстродействие волокна до 24 Тбит/с. Это эквивалентно пересылке содержимого 600 DVD в секунду. До теоретического предела осталось всего 25 раз!

Следует иметь в виду, что в 2011 году был поставлен рекорд скорости передачи в 109 терабит в секунду по одному кабелю (см. "109 Terabits Per Second Over Single Fiber Optic Cable Sets New World Record", James Plafke, OE Solutions, New Scientist, Tuesday, May 3rd 2011). Кабель содержал 7 волокон, по каждому из которых передавалось 15,6 терабит/сек. Длина кабеля составляла 165 км.

Беспроводные оптические каналы

Для стационарных каналов оптоволоконный кабель не имеет конкурентов. Но при формировании каналов в городе, где требуется лицензия на прокладку и разрешение для использования канализации, все становится не так просто. При расстояниях до 1-5 км во многих случаях становятся привлекательны каналы с открытым лазерным лучом. В последнее время такие каналы стали называться FSO (Free Space Optics, см. Free Space Optical Technologies, Davide M. Forin, et al.).

Следует иметь в виду, что лазерному лучу из-за поглощения в атмосфере проще преодолеть расстояние от Земли до Луны, чем от ТВ-башни в Останкино до шуховской башни..

Ниже приведена таблица, где сравниваются параметры различных беспроводных систем.

(GBL - Communication by light GmbH http://www.cbl.de)

Беспроводные телекоммуникационные системы
  Широкополосные системы Оптические каналы Радиорелейные системы
Скорость передачи Несколько Мбит/c ≥ 155 Мбит/c До 155 Мбит/c
Максимальное расстояние Несколько км ≤ 2 км ≤ 50 км
Угроза подключения высокая Крайне высокая Очень высокая
Проблемы интерференции имеются отсутствуют малые
Интерфейсы 10/100 MbpsEthernet E1, волоконный стандарт, FE, GE E1, STM-1 Eth, FE
Точность настройки малая Очень высокая средняя
Разрешение на применение Лицензия не требуется Лицензия не требуется Нужна лицензия PTT
Относительная стоимость ≥ 5200 € ≥ 6000 € ≥ 26000 €

Пример характеристики приемо-передающего оборудования

  LED-LINK 300 LaserLink 4E1/300
Рекомендуемое расстояние [m] < 300 < 300
Полоса пропускания [Mbps] 2-43 4*2,048
BER ≤ 10-9 ≤ 10-6
Передатчик IP-LED IP-LED
Передаваемая мощность [мВт] 50/60 50/60
Расходимость луча [мрад] <10 <10
Динамический диапазон [дБ] >30 (1:1000) >40 (1:10000)
Сетевой интерфейс Мультимодовое волокно 4*E1, G.703
Диаметр волокна [мкм] 50-60/120 -
Длина волны (RX) [нм] 780..900 -
Длина волны (TX) [нм] 850 -
Рабочая температура 0C -20÷+50 -20÷+50

В качестве принимающего устройства используются PIN-диоды или лавинные фотодиоды (APD).


  AirLaser IP100 AirLaser IP1000
Максимальная дальность [м] 2000 1000
Скорость передачи [Мбит/c] 125 1250
Передатчик 2/4 VCSEL 4 VCSEL
Мощность [мВт] 2/4*7,5 4*7,5
Апертура [см2] 2/4*28,25 4*28,25
Расходимость [мрад] 2 
Динамический диапазон [дВ] 36 30
Приемник PIN/APD APD
Чувствительность [дБм] -33/-43 -33
Длина волны [нм] 1300 SX:850, LX:1300
Стандарт 100BaseFX (IEEE 802.3u) 1000BaseSX/LX (IEEE802.3z)
Рабочая температура [0 C] (-25 +50) (-25 +50)
Потребляемая мощность [Вт] 27 35

VCSEL (Vertical Cavity Emitting Laser) - излучающий лазер с вертикальным резонатором. Вышеназванные лазеры (CBL - Мюнстер, ФРГ) относятся к классу 1М (безопасны для глаз).

Наиболее распространены сегодня каналы передачи данных со скоростями от 10 Мбит/с до 1–2,5 Гбит/с при расстояниях от 100 м до 4 км. Обсуждаются варианты использования таких каналов для связи с авиалайнерами, так как это не создает проблем с навигацией, но о реализованных таких проектах пока ничего не известно. Смотри также Передача данных по беспроводным оптическим каналам.

На рис. 1 показана зависимость вероятности отказов канала из-за погодных условий (снег - сильный дождь) в Германии на основе 1000 инсталляций (доступность канала и число минут неработоспособности за год). Если требуется 100% эффективность, рекомендуется использовать резервные широкополосные каналы или ISDN.

Рис. 1. Зависимость вероятности отказа канала от расстояния в условиях плохой погоды

На рис. 1А приведена зависимость поглощения сигнала для расстояния в 1 км от температуры воздуха и влажности (из статьи "Free Space Optical Technologies" by Davide M. Forin et al).

Технология FSO в некоторых обстоятельствах может оказаться предпочтительнее из-за относительной безопасности с точки зрения возможности перехвата сообщений, эта техника хорошо годится для обменов данными между спутниками.

Рис. 1А. Зависимость поглощения сигнала на базе в 1 км от температуры и влажности

В настоящий момент НПК "КАТАРСИС" готовит модели с интерфейсом Gigabit Ethernet - 1 Гбит/с.

Рис. 1Б. Номограмма для подбора моделей работающих в стандарте Ethernet - 100 Мбит/сек (см. http://www.polyset.ru/article/st173.php)

Принципиально новые возможности открыло изобретение инфракрасных лазеров. Лазер генерирует слабо расходящийся в воздухе пучок света (диаметр порядка 1 мм). Это позволяет осуществлять передачу открытым лучом на относительно большое расстояние (до 10 км). Но это же свойство луча создает и определенные проблемы. В атмосфере от горячих предметов поднимаются вверх конвекционные потоки горячего воздуха, варьирующие коэффициент преломления. Многие наблюдали это явление над шоссе жарким летним днем, когда идущая впереди машина как бы отрывается от земли и парит в колышущемся мареве. Это же явление лежит в основе появления миражей. Следует также учитывать, что солнце создает поток излучения в инфракрасной области не меньше, чем в видимой области. Оптические каналы предполагают использование двух параллельных лучей, по одному для каждого направления передачи, смотри рис. 2. Диаметр чувствительной поверхности детектора обычно не превышает 1 мм.

Рис.2.


Чтобы исключить влияние конвективных воздушных потоков от разогретой поверхности крыши обычно используют дефокусировку пучка, чтобы даже при отклонении оси пучка пятно засветки не покидало чувствительную область детектора. Этот метод предполагает, что имеется избыток световой мощности передающего лазера.

По этой причине, а также из-за поглощения луча дождем и туманом, каналы связи с открытым лазерным пучком широкого применения не находят. Но иногда из-за отсутствия нужных кабельных каналов, или из-за возражений телефонных компаний, открытый луч может оказаться полезным для организации связи между не слишком удаленными знаниями. Открытый луч предоставляет достаточно высокий уровень безопасности, так как для перехвата сообщений нужно “дотянуться” до пучка. Да и обнаружить инфракрасный луч без специальных средств не так легко.

Проектируя такие каналы связи надо учитывать ослабление сигнала aгеом [дБ], связанное с геометрией пучка:


aгеом =20Log{aгеом×R /dвх}дБ


где aгеом - угол расхождения в радианах, R - расстояние передачи в метрах, dвх - диаметр входного окна в метрах. Необходимо также принимать во внимание ослабление, связанное с поглощением и рассеянием:


aрассеян =(17/S){0,55/l0,195 S/км [дБ/км]

где aрассеян - ослабление в децибелах на километр, l - длина волны излучения в микронах, S - дальность видимости [км]. Надо сказать, что дальность и надежность передачи в этом случае сильно зависит от погодных условий, в чем можно убедиться на рис. 3.


Рис.3. Зависимость ослабления лазерного сигнала лазерного луча в зависимости от состояния атмосферы


Главным преимуществом варианта с открытым лазерным лучом является отсутствие необходимости лицензирования или получения специальных разрешений для прокладки кабеля, в условиях РФ этим обстоятельством не следует пренебрегать.

А вот для связи в пределах залов с большими объемами такой вариант вполне привлекателен. Здесь используются специальные дефокусирующие системы и рефлексы от стен и других предметов. Такая схема привлекательна также с точки зрения безопасности. Ведь в отличии радиоволн инфракрасное излучение не может пройти через стены и даже стекла. Локальная сеть, построенная на таком принципе, представляет собой односегментную LAN.

Но земная атмосфера является плохой средой для распространения света. По этой причине только разработка кремниевых волокон с низким коэффициентом поглощения в инфракрасном диапазоне (< 0,2 дБ/км) сделало возможным широкое распространение оптоволоконных каналов связи. Укладывается ~1000км оптоволоконного кабеля в день. В настоящее время каналы обычно имеют пропускную способность ~1-100 Гбит/c. В ближайшие годы следует ожидать увеличения быстродействия таких устройств в 10-100 раз. Учитывая, что


Df = (c Dl/l2, где с - скорость света, f - частота, а l - длина волны, для наиболее популярного диапазона l =1300нм и Dl =0,17m мы имеем Df= ~ 30ТГц.

Рассматривая параметры оптоволоконных каналов и радиорелейных линий нужно помнить, что последние имеют задержку 3мксек/км, а оптоволоконные - 5мксек/км, что иногда оказывается существенным (в воздухе электромагнитные волны распространяются быстрее, чем в кварце).


Сопоставляя возможности спутниковых каналов с оптоволоконными, следует учитывать, что одна волоконная пара обладает пропускной способностью больше, чем все запущенные до сих пор телекоммуникационные спутники.

Но это не означает, что спутниковая связь не имеет перспективы, у нее имеется несколько ниш, где она имеет неоспоримые преимущества.


  1. Представим себе одинокий остров, где размещена метеорологическая или геофизическая станция. Прокладывать туда кабель по дну моря совершенно не выгодно с экономической точки зрения.
  2. Мобильная телефония, которая стала достоянием десятков миллионов человек вошла в привычку и люди не хотят терять связь со своими близкими или деловыми партнерами ни на борту лайнера, ни за рулем автомобиля на пустынной автостраде. Здесь спутниковый вариант также трудно заменим.
  3. Преимущество широковещательности создает еще одну нишу для этого вида связи. Трансляция биржевых новостей или курса акций в реальном масштабе времени сразу на целые континенты делает спутниковый вариант привлекательным.
  4. Не следует упускать из виду и военные приложения, где оптоволоконика не всегда применима, а иногда и неприменима вовсе.
  5. Оптоволоконные системы связи в городе часто могут предоставить индивидуальному пользователю только определенную полосу. Спутниковый канал может быть смонтирован быстро и дать пользователю, то, что ему нужно.

Рис. 4. Схема оптического переключателя-маршрутизатора

На рис. 4 показана схема устройства оптического переключателя-маршрутизатора. Входные пакеты попадают в трансивер и далее следуют в оптоволоконную линию задержки. Одновременно они анализируются логикой маршрутизации. Результат анализа поступает в выходной трансивер, который излучает пакет в выходное волокно с длиной волны, соответствующей месту назначения пакета. Длина волны будет далее определять маршрут пакета в оптической сети до места назначения.

В 2008 году начал распространяться новый протокол передачи данных по оптоволокну FICON (Fiber Connection), разработанный компанией IBM и уже внедренный в свои изделия фирмой CISCO. Максимальная скорость передачи в этом протоколе составляет 4 Гбит/c. Максимальное расстояние передачи может достигать 300 км.

Согласно заявлению организаторов OFC/NFOEC (Optical Fiber Communication Conference/National Fiber Optic Engineers Conference), компания AT&T может передавать 400Гбит/c на расстояние более 7,456 миль с минимальными потерями.

Использование оптоволокна между провайдером и локальной сетью может быть организовано по-разному (см. Fiber to the x). Эти схемы показаны на рисунке 5, заимствованном из этой ссылки.

Рис. 5. Схема использования волокна для подключения локальной сети или отдельного пользователя

Еврокомиссия планирует к 2020 году достижение скорости информационного обмена до 1000 Тбит/сек.


Previous: 3.1 Кабельные каналы связи    UP: 3 Каналы передачи данных
    Next: 3.3 Беспроводные (радио) каналы и сети