что такое оптический передатчик

Сети кабельного телевидения для самых маленьких. Часть 7: Оптические приёмники

Граница между оптической средой и коаксиальным кабелем — оптический приёмник. В этой статье рассмотрим их конструкцию и настройки.

Задача оптического приёмника — перенос сигнала из оптической среды в электрическую. В самом простом виде это можно сделать при помощи пассивного устройства, подкупающего своей незатейливостью:

Чтобы быть уверенным в качестве доставляемого сигнала при архитектуре FTTB требуется использовать более сложные устройства:

Приёмники, встречающиеся в нашей сети: Vector Lambda, Telmor MOB и отечественный Planar.

От своего пассивного младшего собрата все они отличаются более сложной схемотехникой, включающей в себя фильтры и усилители, благодаря чему можно быть спокойным за сигнал, добегающий до абонента. Рассмотрим их поближе:

Оптический приёмник Telmor имеет внутри панель с изображением структурной схемы. Такая схема типична для ОП.

Все активные ОП содержат в себе усилительный каскад, который так же обеспечивает возможность регулирования наклона и уровня выходного сигнала.

Управление оптическими приёмниками

Для настройки параметров сигнала, а так же изменения и контроля встроенных сервисных функций внутри самих приёмников обычно присутствуют простые органы управления. У MOBа, показанного на фото выше это отдельная плата, которая опционально устанавливается в корпус. Также, как альтернатива, предлагается использование быстросъёмной платы, устанавливаемой лишь на время настройки в порты на основной плате. На практике это не очень удобно, конечно.

Панель управления позволяет устанавливать значения входного аттенюатора (при увеличении которого выходящий сигнал снижается соответственно коэффициенту усиления), включать или выключать (а так же устанавливать фиксированные значения) АРУ, устанавливать параметры наклона и настраивать ethernet интерфейс.

Челябинский ОП Planar имеет понятный индикатор уровня оптического сигнала, а настройки осуществляются по-простому: крутилкой и сменой вставок, изменяющих характеристики усилительного каскада. В откидывающейся крышке расположен блок питания.

А выполненный в дизайне «технопорно» ОП Vector Lambda имеет двухразрядный экран и всего три кнопки.

Чтобы отличать положительные значения от отрицательных, этот ОП отображает отрицательные значения всеми сегментами, а положительный ноль и +1 показывает высотой в половину экрана. При значениях более +1,9 просто пишет «HI».

Такие органы управления удобны при оперативной настройке на объекте, но для возможности удалённого мониторинга и управления почти все приёмники имеют порт ethernet. Вебинтерфейс позволяет контролировать и изменять параметры, а для интеграции с системами мониторинга поддерживается опрос по SNMP.

Тут мы видим ту же типичную структурную схему ОП, на которой имеется возможность изменения параметров АРУ и аттенюатора. А вот наклон у этого ОП устанавливается лишь джамперами на плате и имеет три фиксированных положения.

Рядом со схемой отображаются важные для контроля параметры: уровни входящего и выходного сигналов, а так же значения напряжений, получаемых от встроенного блока питания. 99% выходов из строя таких ОП происходят после ухудшения этих напряжений, так что их стоит мониторить для предотвращения аварий.

Под словом Transponder тут имеется ввиду IP интерфейс и эта вкладка содержит настройки адреса, маски и шлюза — ничего интересного.

Бонус: эфирный телеприём

Это не относится к тематике серии, но я лишь в двух словах расскажу о эфирном приёме ТВ. Почему сейчас? Да просто если рассматривать сеть многоквартирного дома, то именно от источника сигнала в коаксиальной распредсети зависит будет ли сеть кабельной или эфирной.

При отсутствии оптоволокна с сигналом КТВ вместо ОП может быть установлен приёмник эфирного вещания, например Terra MA201:

К вводным портам приёмника подключаются несколько антенн (обычно три), каждая из которых обеспечивает приём своего диапазона частот.

Собственно, с переходом на цифровое телевещание в этом отпадает необходимость, так как цифровые мультиплексы вещаются в одном диапазоне.

Для каждой из антенн можно настроить чувствительность для снижения шума, а так же при необходимости подать дистанционное питание на встроенный в антенну усилитель. Далее сигнал проходит усилительный каскад и суммируется. Возможность регулировки выходного уровня сводится к отключению ступеней каскада, а регулировка наклона не предусмотрена вовсе: получить нужную форму спектра можно регулировками чувствительности каждой антенны в отдельности. А если за таким приёмником лежат километры коаксиального кабеля, то с затуханием в нём борются уже установкой и настройкой усилителей, таких же, как и на кабельной сети.

При желании можно комбинировать источники сигнала: собрать в одну сеть и кабельный, и эфирный, а заодно ещё и спутниковый сигнал. Это делается при помощи мультисвитчей — устройств, позволяющих суммировать и распределять сигналы с разных источников.

Источник

Наглядный обзор оптических передатчиков

Часто у знакомых системных администраторов, не сталкивавшихся раньше с оптическим волокном, возникают вопросы, как и какое оборудование необходимо для организации соединения. Немного почитав, становится понятно, что нужен оптический трансивер. В этой обзорной статье я напишу основные характеристики оптических модулей для приема/передачи информации, расскажу основные моменты, связанные с их использованием, и приложу много наглядных изображений с ними. Осторожно, под катом много трафика, делал кучу своих собственных фотографий.

Что и зачем

Сегодня практически любое сетевое оборудование для передачи данных в сетях Ethernet, предоставляющее возможность подключения через оптическое волокно, имеет оптические порты. В них устанавливаются оптические модули, в которые уже может подключаться волокно. В каждый модуль встроен оптический передатчик (лазер) и приемник (фотоприемник). При классической передаче данных с их использованием предполагается использовать два оптических волокна — одно для приема, другое для передачи. На изображении снизу представлен коммутатор с оптическими портами и установленными модулями.

Вот об этих маленьких электронных штуковинах дальше и пойдет речь.

Виды оптических модулей

Периодически возникают вопросы, какой же оптический приемопередатчик нужен в конкретной ситуации. Если перед глазами оказывается прайслист какой-либо, то просто разбегаются глаза от обилия всевозможных наименований. Попробую прояснить, что же значат различные буквы и цифры в названии модулей и что же из них вам может понадобиться. Оптические модули различаются формфактором (GBIC, SFP, X2. ), типом технологии («прямые», CWDM, WDM, DWDM. ), мощностью (в дицебелах), разъемами (FC, LC, SC).

Различные формфакторы

В первую очередь модули различаются своими формфакторами. Немного расскажу про различные варианты.

GigaBit Interface Converter, активно использовался в 2000-х. Самый первый промышленно стандартизованный формат модулей. Очень часто применялся при передачи через многомодовые волокна. Сейчас же практически не используется в силу своих размеров. У меня осталась одна старая циска 3500, еще без поддержки CEF, в которой можно воспользоваться данными модулями. На изображении снизу два GBIC-модуля 1000Base-LX и 1000Base-T:

Small Form-factor Pluggable, наследник GBIC. Наверно самый распространенный на сегодняшний день формат, гораздо удобнее в силу меньших размеров. Такой формфактор позволил значительно увеличить плотность портов на сетевом оборудовании. Благодаря таким размерам стало возможно реализовать до 52 оптических портов на одной железке в один юнит. Используется для передачи данных на скоростях 100Mbits, 1000Mbits. На изображении снизу коммутатор с оптическими портами и пара модулей 1000Base-LX и 1000Base-T.

Enhanced Small Form-factor Pluggable. Имеют идеентичный SFP размер. Схожий размер позволил сделать оборудование с портами, поддерживающими обычные SFP и SFP+. Такие порты могут работать в режимах 1000Base/10GBase. Лишь дальнобойные CWDM-модули имеют большую длину из-за радиатора. Используются для передачи данных на скоростях 10 Gbits. Малые размеры придали некоторые особенности — для дальнобойных модулей бывают случаи слишком сильного нагрева. Поэтому для передачи более чем на 80 км таких модулей пока нет. На картинке снизу два модуля SFP+ — CWDM и обычный 10GEBase-LR:

10 Gigabit Small Form Factor Pluggable. Также, как и SFP+, используются для передачи данных на скоростях 10 Gbits. Но в отличии от предыдущих, немного шире. Увеличенный размер позволил использовать их для прострела на большие расстояние по стравнению с SFP+. Снизу дополнительная плата для Huawei с установленными XFP и пара таких модулей.

XENPAK

Модули, используемые преимущественно в оборудовании Cisco. Используются для передачи данных на скоростях 10 Gbits. Сейчас уже изредка можно найти им применение, изредка можно встретить в старых линейках маршрутизаторов. Также такие модули бывают для подключения медного провода 10GBase-CX4. К сожалению, у меня нашелся лишь один XENPAK-модуль 10GEBase-LR и старая Cisco-вская плата WS-X6704-10GE под них.

Дальнейшее развитие модулей формата XENPAK. Часто в разъемы X2 можно установить модуль TwinGig, в который уже можно установить два модуля SFP… Это нужно в случае, если на оборудовании нет 1GE оптических портов. В основном X2-формфактор использует Cisco. В продаже существуют адаптеры X2-SFP+ (XENPACK-to-SFP+). Интересно, что такой комплект (адаптер+SFP+ модуль) выходит дешевле одного X2 модуля.
К сожалению, на руках у меня нашелся только адаптер, но чтобы понять, как выглядят эти модули и какого они размера этого вполне хватит. На рисунке снизу адаптер X2-SFP+ со вставленным SFP+ модулем.

Но если кому интересно, вот здесь можно посмотреть больше картинок и возможностей этого разъема.

Да, я не затрагивал относительно новые формфакторы (QSFP, QSFP+, CFP). На текущий момент они еще не очень распространены.

Различные стандарты

С использованием спектрального уплотнения

Описанные выше оптические модули передают сигнал в основном на длине волны 1310 нм или 1550 нм на двух волокнах (одно для передачи, другое для приема). Они имеют широкополосный фотоприемник (принимают все) и лазер, излучающий на определенной длине волны (грубо конечно). Но имеется возможность использовать уплотнение по длине волны. Это дает возможность использовать меньшее количество волокон для организации нескольких каналов тем самым увеличивая пропускную способность одного волокна.

Такие модули работают в паре, с одной стороны сигнал передается на длине волны 1310 нм, с другой 1550 нм. Это позволяет вместо двух волокон для организации одного канала использовать одно. Приемник на таких модулях так и остается широкополосным. Бывают как для 1GE, так и для 10GE. Снизу фотографии пары WDM-модулей с различными разъемами для подключения патчкордов LC и SC.

В большинстве случаев предпочтительнее использовать WDM-модули для малых расстояний. Их цена не очень большая (по 1 тыс рублей за модуль против 500 рублей за обычный). Причина — вы экономите целое волокно, на нем можно будет потом еще один такой же канал прогнать. Хотя конечно есть и другие способы экономии волокон.

Дальнейшее продолжение технологии WDM. С ее использованием можно добиться до 8 дуплексных каналов по одному волокну. Для этих целей используются CWDM-мультиплексоры (пассивные устройства с призмой внутри, позволяющей делить сигнал по цветам с шагом 20нм в диапазоне от 1270нм до 1610нм). Для этого также используют специальные CWDM-модули, в простонародье их называют «цветные», они передают сигнал на определенной длине волны. В то же время приемник на них широкополосный. Кроме того, такие оптические модули часто делают для передачи на большие расстояние (до 160 км). На рисунке ниже представлен малый комплект CWDM-SFP, на котором с использованием мультиплексоров можно поднять 2GE на одном волокне.

Как можно заметить, дужки у всех разные. В зависимости от длины волны модуль имеет свою раскраску. К сожалению, у всех производителей они разные.

Здесь появляется понятие оптический бюджет. Правда его расчет выходит за рамки этой статьи. В кратце, чем больше доступных портов, тем больше вы сможете смультиплексировать каналов, тем больше будет затухание. Кроме того, различные длины волн дают различные затухания на 1 километр передаваемого сигнала. А еще нужно учитывать тип волокна…

Можно много писать о методиках подбора таких модулей, о пересечении длин волн, о нежелательных длинах, о ADD/DROP-модулях. Но это отдельная тема.

Разъемы

Это то место, куда вы будете подключать оптический патчкорд. На оптических модулях сейчас используются преимущественно два типа раъемов — SC и LC. Грубо и жаргонно — большой и мелкий квадраты. Понятно, что имея в наличии патчкорд с разъемом SC, вы не подсоедините его к разъему LC. Нужно либо менять патчкорд, либо ставить переходник-адаптер. В большинстве случаев SFP-модули имеют разъем LC, в то время как X2/XENPAK — SC. Выше на изображениях уже были модули с различными разъемами.

Оптические патчкорды, они же оптические шнуры. Нас будут интересовать следующие характеристики: дуплекс/симплекс (количество волокон), полировка (сейчас это UPC-синие или APC-зеленые), разъем (SC, LC, FC), многомодовость и длина. Конечно, важна еще и толщина сердцевины волокна, но сейчас на многомодовые обычные шнуры используют стандартную толщину. Снизу я представил изображение с различными видами концов патчкордов.

В основном вы будете встречать следующее обозначение шнуров — ШО-2SM-SC/UPC-SC/UPC-3.0. Это расшифровывается следующим образом: Шнур Оптический Дуплексный Одномодовый (Single-Mode) с разъемами SC и полировкой UPC с одной стороны и SC-UPC с другой длиной 3.0 метра. Соответственно, например, ШО-SM-LC/APC-SC/APC-15.0 — одномодовый дуплексный шнур с разъемами LC-LC и гравировкой APC длиной 15 метров.

Неоторые особенности

Оптические модули — активное оборудование, они потребяют электроэнергию и выделяют тепло. Это следует учитывать при подключении оборудования к электросети. Также коммутатор, заполненный мощными модулями под завязку может потребовать дополнительного охлаждения.

Не стоит забывать, что в оптические модули встроены лазеры, и с ними необходимо соблюдать некоторую технику безопасности. Конечно в большинстве случаев никакой угрозы они не предоставляют в силу слабой мощности, но бывали случаи, дальнобойные мощные 10GE модули могут вполне выжечь сетчатку глаза или оставить ожог, если использовать палец в качестве аттюниатора.

Современные оптические модули имеют функцию DDM (Digital Diagnostics Monitoring) — в них встроен ряд сенсоров, через которые можно определить текущее значение некоторых параметров. Смотрится это через интерфейс оборудования, в которое установлен модуль. Самые важные параметры для вас — текущие принимаемая мощность и температура.

Ряд производителей сетевого оборудования запрещают использовать сторонние модули в их оборудовании. По крайней мере раньше Cisco не давала их запускать, они в ней просто не работали. Сейчас же в узких кругах известны команды, открывающие возможность использовать сторонние устройства, да и Cisco стала не так трепетно относиться к этому вопросу. Впрочем, при желании любые модули можно перепрошить, в продаже имеются специальные программаторы.

Порт на оборудовании (в большинстве случаев) загорается, если на модуль приходит сигнал достаточной мощности. Если соединить два двухволоконных модуля одинарным патчкордом (просто прием с передачей), с одной стороны порт загорится, но работать при этом ничего не будет.

Да, мощность может быть не только слабой. Если сигнал приходит слишком сильный, можно сжечь фотоприемник. Обычно это относится к дальнобойными мощным модулям с дистанцией > 80 км. Для уменьшения мощности используют специальные аттенюаторы. Хотя если делаем в лабораторных условиях, можно просто намотать пару витков патчкорда на какую-нибудь ручку или карандаш.

Источник

Оптический передатчик

Оптический передатчик является электрооптическим прибором для преобразования электрических сигналов в оптические сигналы. Он состоит из когерентного источника света и промежуточных соединительных компонентов между коаксиальным входом и оптическим выходом. С выхода оптического передатчика оптический сигнал подается в оптическое волокно.

Основные факторы при выборе оптических передатчиков

1. Быстродействие (скорость переключения). Источник должен иметь малое время переключения (включения и выключения), чтобы соответствовать требованиям к скорости передачи информации в системе. Скорость переключения определяется временем нарастания (время, требуемое для увеличения выходной мощности источника от 10 до 90 %).

2. Выходная мощность. Источник должен иметь выходную мощность, достаточную для того, чтобы на выходе волокна было возможно уверенное детектирование оптического сигнала. Уровень выходного сигнала источника должен значительно превышать потери на проход через волокно и на волоконных соединениях и обеспечивать достаточное отношение сигнал/шум на входе детектора.

3. Длина волны выходного сигнала. Длина волны света, излучаемого источником, должна быть стабильна, а потери на этой длине волны должны быть минимальными в полосе пропускания волокна.

4. Ширина спектра излучения. В идеальном случае спектр излучения источника должен включать единственную длину волны, чтобы материальная дисперсия в волокне была минимизирована. Но спектр излучения реальных источников включает множество гармоник, поэтому его ширина определяется по уровню 50 % от максимального выходного значения амплитуды.

Важнейшей частью оптического передатчика является специальный источник когерентного направленного излучения, преобразующий входную электрическую энергию в выходную световую энергию. Такими преобразователями являются светоизлучающие диоды (LED) и лазерные (LASER) диоды. Те и другие источники изготавливаются из полупроводниковых материалов, обладающих излучающими свойствами, например, на основе арсенида галлия (GaAs). Первое поколение оптический передатчиков было внедрено в 1975 году. Основу передатчика составлял светоизлучающий диод, работающий на длине волны 850 нм в много-модовом режиме. К второму поколению относятся одномодовые передатчики, работающие на длине волны 1310 нм. Позднее светодиодные излучатели были заменены на более качественные суперлюминисцентные диоды и лазеры.

Светоизлучающий диод (Light Emitted Diod) представляет собой р-n переход, который самопроизвольно излучает свет при пропускании через него электрического тока. Вводя в переход путем легирования атомы различных добавок, таких как индий, алюминий, фосфор, можно менять длину волны излучения диода. Конус излучения LED-диодов значительно больше, чем апертура одно-модового оптического волокна. Вследствие этого эффективность ввода излучения LED-диода в волокно с маленьким диаметром очень низка, если не применяется специальных методов локализации излучения. Хотя существует множество различных способов производства LED-структуры, в настоящее время преимущественно используется два: с воронкообразным эмиттером и с краевым эмиттером. Обе эти структуры показаны на рис. 11.1.

Диод с воронкообразным эмиттером излучает свет с поверхностной области открытого углубления в виде воронки. Такая структура испускает широко расходящийся световой луч. Диод с краевым эмиттером излучает свет из узкой полоски, вложенной в полупроводник, и получаемый в этом случае световой луч существенно уже, чем в первом случае.

Характерстики LED-источников

По вышеперечисленным характеристикам LED-источники наилучшим образом подходят для служб с низкими скоростями передачи и систем небольшой протяженности, где недостатки этих приборов не слишком существенны. Использование многомодового волокна с большим диаметром сердцевины имеет много преимуществ в системах ограниченной длины, например, в пределах одного многоэтажного здания или группы близлежащих зданий. В таких случаях широкополосное излучение диода не будет серьезным ограничением.

Источник

Оптоволоконные линии связи: неограниченные возможности

Технологический век дал нам много ярких изобретений и открытий, но, по-видимому, именно возможность передачи информации на большие расстояния внесла один из наиболее весомых вкладов в развитие технологий. Носители, по которым передаются данные, прошли долгий путь развития от медной проволоки столетие назад до современных оптоволоконных кабелей. В результате многократно увеличились объемы информации, скорости и расстояния ее передачи, что расширило пределы технологического развития во всех областях.

Современные оптоволоконные кабели из стекла с малыми потерями обеспечивают практически неограниченную полосу пропускания и имеют массу других преимуществ над ранее созданными носителями. Простейшая оптоволоконная система передачи информации между двумя точками состоит из трех основных элементов: оптического передатчика, оптоволоконного кабеля и оптического приемника (рис. 1).

Рис. 1. Схема простейшей оптоволоконной системы передачи информации

Оптический передатчик преобразует аналоговый или цифровой электрический сигнал в соответствующий ему световой сигнал. Источником света может быть либо светодиод, либо твердотельный лазер. Чаще всего используются источники света с длиной волны 850, 1300 и 1550 нанометров.

Оптоволоконный кабель состоит из одного или нескольких стеклянных волокон, которые для света работают как волноводы (световоды). По конструкции оптоволоконный кабель похож на электрический, но содержит специальные элементы для защиты находящихся внутри него световодов. Соединение многокилометровых кабелей выполняется с помощью разъемных и неразъемных оптических соединителей.

Оптический приемник преобразует световой сигнал в копию исходного электрического сигнала. В качестве чувствительного элемента оптического приемника используется либо лавинный фотодиод, либо (чаще) PIN-фотодиод.

Оптоволоконные системы передачи информации — оптические приемник и передатчик, связанные оптоволоконным кабелем — имеют много преимуществ над обычными медными проводами и коаксиальными кабелями:

Почему оптоволоконные системы обладают этими полезными свойствами? Прочитав эту брошюру и поняв принципы, лежащие в основе оптоволоконной технологии, вы получите ответ на этот вопрос. Каждому из трех компонентов оптоволоконных систем — передатчикам, приемникам и кабелям — посвящен свой раздел.

Оптические передатчики

Оптический передатчик преобразует электрический сигнал в модулированный световой поток, предназначенный для передачи по оптоволокну. В зависимости от типа сигнала могут использоваться различные способы модуляции — включение и выключение света или его плавное изменение между заданными уровнями пропорционально входному сигналу. На рис. 2 эти два основных способа модуляции показаны на графиках зависимости интенсивности света от времени.

Рис. 2. Основные методы модуляции светового потока

Чаще всего в оптических передатчиках в качестве источника света используются светоизлучающие диоды (светодиоды) и полупроводниковые лазеры (лазерные диоды). Для использования в оптоволоконных системах эти устройства изготавливаются в корпусах, позволяющих подвести оптоволокно максимально близко к зоне, излучающей свет. Это необходимо для того, чтобы направить как можно больше света в световод. Иногда излучатель оборудован микроскопической сферической линзой, позволяющей собрать весь свет «до последней капли» и направить его в волокно. В некоторых случаях стеклянная нить присоединяется непосредственно к поверхности излучающего свет кристалла.

У светодиодов площадь излучающего элемента довольно велика, и поэтому они излучают не так эффективно, как лазеры. Однако светодиоды широко используются на линиях связи малой и средней длины. Светодиоды гораздо дешевле лазеров, имеют почти линейную зависимость интенсивности излучения от величины электрического тока, интенсивность их излучения слабо зависит от температуры. Лазеры, напротив, имеют очень малую площадь излучающей поверхности и могут отдавать в оптоволокно гораздо большую мощность, чем светодиоды. Они тоже линейны по току, но очень сильно подвержены влиянию температуры и для достижения необходимой стабильности требуют применения более сложных электронных схем. Поскольку лазеры довольно дороги, они в основном используются там, где требуется передача данных на большие расстояния.

Применяемые в оптоволоконной связи светодиоды и лазеры излучают в инфракрасной части спектра электромагнитных волн и поэтому их свет невидим человеческим глазом без применения специальных средств. Длина волны излучения выбрана с учетом максимальной прозрачности материала световодов и наивысшей чувствительности фотодиодов. Наиболее часто используемые сейчас длины волн — 850, 1300 и 1550 нанометров. Для всех трех длин волн выпускаются как светодиоды, так и лазеры.

Как уже было сказано, световой поток светодиодов и лазеров модулируется одним из двух способов: «включено-выключено» или линейным непрерывным изменением интенсивности. На рис. 3 показаны упрощенные схемы, реализующие оба способа модуляции. Для управления излучателем используется транзистор, на базу которого поступает предварительно сформированный цифровой сигнал. Максимальная частота модуляции при этом определяется электронной схемой и свойствами излучателя. Со светодиодами легко достижимы частоты в несколько сотен мегагерц, с лазерами — в тысячи мегагерц. На схеме не показан узел термостабилизации (светодиодам он обычно вообще не требуется).

Линейная модуляция осуществляется с помощью схемы на основе операционного усилителя (рис. 3B). Модулирующий сигнал подается на инвертирующий вход усилителя, постоянное смещение поступает на неинвертирующий вход. Здесь также не показана схема термостабилизации.

Рис. 3. Методы модуляции светового потока светодиодов
и полупроводниковых лазеров

В цифровом сигнале, для передачи которого используется модуляция «включено-выключено», логические уровни могут кодироваться различными способами. В наиболее простом из них логической единице соответствует наличие света, логическому нулю — его отсутствие. Кроме того, применяются широтно-импульсная и частотно-импульсная модуляция. При широтно-импульсной модуляции используется непрерывный поток импульсов, двумя различными длительностями которых кодируются логические уровни сигнала. При частотно-импульсной модуляции все импульсы имеют одинаковую длительность, но частота их следования меняется в зависимости от передаваемого логического уровня.

Рис 4. Различные методы оптической передачи аналоговой
и цифровой информации

Для аналоговой модуляции также существует несколько методов. Простейший из них — линейная модуляция, где интенсивность источника света прямо связана с величиной передаваемого сигнала. В других методах передаваемый сигнал вначале модулирует высокочастотную несущую (а в некоторых случаях и несколько несущих), а затем этот сложный сигнал управляет яркостью источника света.

На рис. 4 показана зависимость интенсивности света от времени для этих методов модуляции.

Частота света (который тоже является электромагнитным излучением) весьма велика — порядка миллионов гигагерц. Полоса частот излучателей света (лазеров и светодиодов) достаточно широка, но, к сожалению, современная технология не дает возможности селективного использования этой полосы, как это делается при передаче информации по радио. В оптическом передатчике происходит включение и выключение всей полосы частот сразу, как это делалось в первых искровых передатчиках на заре эры радио. Со временем ученые преодолеют это препятствие и станет возможной «когерентная передача», что определит дальнейшее развитие оптоволоконной технологии.

Световоды

Ввод света в оптическое волокно

После того, как передатчик преобразовал входной электрический сигнал в нужным образом модулированный свет, его необходимо ввести в оптическое волокно. Как уже говорилось, для этого существует два способа: прямое соединение излучающего элемента со световодом, и размещение световода в непосредственной близости от излучателя. При использовании второго способа количество света, которое попадет в оптоволокно, зависит от четырех факторов: интенсивности излучения, площади излучающего элемента, входного угла световода и потерь на отражение и рассеяние. Кратко рассмотрим все эти факторы.

Интенсивность излучения светодиода или лазера зависит от его конструкции и обычно выражается как общая мощность излучения при определенном токе. Иногда эта цифра указывается как реальная мощность, передаваемая в оптоволокно конкретного типа. При прочих равных условиях чем выше мощность излучателя, тем больше света попадает в световод.

Отношение площадей излучающего элемента и сердцевины оптоволокна определяет долю общей мощности, которая попадает в световод — чем меньше это отношение, тем больше света окажется в волокне.

Входной угол оптоволокна характеризуют его числовой апертурой (numerical aperture, NA), которая определяется как синус половины входного угла. Типовые значения NA лежат в диапазоне от 0,1 до 0,4, что соответствует входному углу от 11 до 46 градусов. Только тот свет, который вошел в оптоволокно под углом, меньшим или равным входному, будет распространяться по световоду.

Потери. Кроме потерь от загрязнений на поверхности оптоволокна, всегда существуют неизбежные потери интенсивности света, вызванные отражением на входе в световод и выходе из него. Это так называемые френелевские потери (по имени французского физика О. Ж. Френеля), которые составляют примерно 4% общей интенсивности на каждой границе раздела стекло-воздух. При необходимости для снижения этих потерь на соединяемые стеклянные поверхности наносят немного специального оптического геля.

Типы оптического волокна

Сейчас используется два типа оптического волокна: со ступенчатым и плавным изменением показателя преломления вдоль радиуса (профилем). На рис. 5 показано, что свет распространяется по таким световодам по-разному.

Рис 5. Распространение света по оптоволокну со ступенчатым и плавным профилями показателя преломления

Как показано на рисунке, волокно со ступенчатым профилем показателя преломления состоит из сердцевины, изготовленной из стекла с малыми оптическими потерями, окруженной стеклянной оболочкой с более низким показателем преломления. Такое различие показателей преломления заставляет свет отражаться от границы между сердцевиной и оболочкой на всем пути распространения. Оптоволокно с плавным профилем состоит из стекла только одного сорта, но оно обработано так, что его показатель преломления плавно уменьшается от центра к периферии. В результате световод, подобно протяженной линзе, постоянно отклоняет распространяющийся по нему свет к центру.

Оптоволокно характеризуется толщиной сердцевины и оболочки, которую выражают в микрометрах. Сейчас наиболее распространены три типоразмера оптоволокна общего назначения, хотя существуют и другие типоразмеры для специальных применений. Это многомодовые световоды 50/125 и 62,5/125 мкм и одномодовые 8-10/125 мкм. Первые два типоразмера обычно используются вместе со светодиодными излучателями на линиях передачи малой и средней длины. Оптоволокно с сердцевиной 8-10 мкм чаще всего применяется в телекоммуникационных системах большой протяженности совместно с лазерными оптическими передатчиками.

Потери в оптическом волокне

Кроме потерь интенсивности сигнала в соединении излучателя и световода, потери происходят также и при распространении света по оптоволокну. Сердцевина оптического волокна делается из сверхчистого стекла с очень низкими потерями. Стекло должно иметь высочайшую прозрачность, поскольку по изготовленному из него волокну свет должен проходить километры. Давайте посмотрим на обычное оконное стекло. Оно прозрачно, но только потому, что его толщина всего 3-4 мм. Достаточно взглянуть на торец стеклянной пластины и увидеть его зеленую окраску, чтобы понять, как сильно она поглощает свет даже на длине в десяток-другой сантиметров. Легко представить, как же мало света пройдет через стометровую толщу оконного стекла!

Большинство световодов общего назначения дает на длине волны 850 нм потери от 4 до 6 децибел на километр (то есть на одном километре теряется от 60 до 75% света). На длине волны 1300 нм потери снижаются до 3-4 дБ/км (50-60%), а на 1550 нм они еще меньше — не является чем-то необычным значение 0,5 дБ/км (10%).

Основной причиной потерь является поглощение света неоднородностями и рассеяние на них. Другая причина потерь в оптоволокне — его чрезмерный изгиб, при котором часть света выходит из сердцевины. Во избежание таких потерь радиус изгиба оптоволоконного кабеля при прокладке должен быть не менее 2,5 см (а чаще и еще больше).

Полоса пропускания оптоволокна

Перечисленные выше потери не зависят от частоты модуляции, то есть уровень потерь в 3 дБ означает, что до получателя не дойдет 50% света независимо от того, модулирован он сигналом 10 Гц или 100 МГц. Однако полоса пропускания оптоволокна для модулированного сигнала ограничена, и тем сильнее, чем длиннее световод. Причину этого ограничения поясняет рис. 6. Свет, вошедший в оптоволокно под малым углом к его оси (M1) распространяется по более короткому пути, чем тот, который входит под углом, близким к предельному входному (M2). В результате различные лучи, исходящие от одного и того же источника (называемые модами), приходят к даль- нему концу световода не одновременно, что приводит к эффекту размывания — уширению коротких импульсов. Это ограничивает максимальную частоту сигнала, передаваемого по оптоволоконному кабелю. Говоря кратко, чем меньше мод в излучении, тем шире полоса пропускания оптоволокна. Чтобы уменьшить число распространяющихся мод, сердцевину волокна делают тоньше. Одномодовое волокно с диаметром сердцевины от 8 до 10 мкм имеет значительно более широкую полосу пропускания, чем многомодовые волокна с диаметром 50 и 62,5 мкм, по которым может одновременно распространяться большое число мод излучения.

Рис. 6. Полоса частот модуляции, пропускаемых оптоволокном,
ограничивается существованием различных путей распространения света

Типовая полоса пропускания для обычных волоконных световодов составляет несколько мегагерц на километр для волокна с очень большим диаметром сердцевины, несколько сотен мегагерц на километр для стандартного многомодового волокна и тысячи мегагерц для одномодовых оптических волокон. С ростом длины кабеля полоса пропускания пропорционально снижается. Например, кабель, имеющий полосу 500 МГц на длине 1 км, при длине 2 км сможет обеспечить полосу в 250 МГц, а при 5 км — лишь в 100 МГц.

Очень широкая полоса пропускания одномодовых световодов позволяет практически не обращать внимания на их длину. Однако для многомодовых волокон этот фактор важен, поскольку нередко частотный диапазон передаваемых сигналов превосходит полосу пропускания кабелей.

Конструкция оптоволоконного кабеля

Оптоволоконные кабели выпускаются разного диаметра и конструкции. Как и в случае коаксиальных, конструкция оптоволоконных кабелей определяется его предназначением. Внешне оптоволоконный кабель похож на коаксиальный. На рис. 7 схематично показано устройство стандартного оптоволоконного кабеля.

Оптоволокно имеет защитное покрытие, предохраняющее его от повреждений в производственном процессе. Оно помещается в облегающую его поливинилхлоридную трубку, где может свободно изгибаться при прокладке вокруг углов стен и в кабельных каналах.

Эта трубка окружена оплеткой из кевлара, принимающей на себя основное механическое усилие, которое действует на кабель при прокладке. Наконец, внешняя оболочка из поливинилхлорида защищает весь кабель и предотвращает проникновение влаги внутрь.

Кабели такой конструкции пригодны для прокладки внутри зданий, где не требуется значительная стойкость к внешним воздействиям. Существуют кабели практически для любого варианта прокладки, например, для прямой укладки в грунт, армированные устойчивой к грызунам внешней оболочкой из стали и сертифицированные UL негорючие кабели для прокладки над фальшпотолками. Выпускаются и многожильные кабели с цветовой кодировкой.

Рис. 7. Устройство стандартного оптоволоконного кабеля

Другие типы световодов

Еще два типа световодов — кварцевые с сердцевиной очень большого диаметра и целиком изготовленные из пластмассы — обычно не используются в телекоммуникациях. Кварцевые световоды используются для передачи мощных световых потоков, например в лазерной хирургии. Пластмассовые световоды применяются для передачи данных на очень малые расстояния внутри электронного оборудования совместно с недорогими светодиодами. Одно из стандартных применений таких световодов — оптическая развязка цепей управления в высоковольтных источниках питания.

Оптические соединители

С помощью оптических соединителей оптоволоконные кабели подключаются к оборудованию или соединяются между собой. Они похожи на электрические разъемы по функциям и внешнему виду, но требу- ют очень высокой точности изготовления. В оптическом разъемном соединении необходимо прецизионное совмещение и центровка сердцевины обоих волокон. Поскольку их диаметр весьма мал (например, 50 мкм), требования к точности очень высоки: допуск имеет порядок одного микрона.

Сейчас используются оптические разъемы множества различных типов. Разъем SMA, использовавшийся еще до изобретения одномодовых волокон, до недавнего времени оставался наиболее распространенным. На рис. 8 показаны детали конструкции этого разъема.

Рис. 8. Конструкция разъема SMA

Для многомодовых волокон сейчас чаще всего применяется разъем ST, разработанный компанией AT&T. В нем применен байонетный фиксатор, а общие потери меньше, чем в SMA. Подобранная пара разъемов ST обеспечивает уровень потерь менее 1 дБ (20%) и не требует дополнительных направляющих втулок или других подобных элементов. Специальный выступ, не дающий разъему поворачиваться, гарантирует, что при соединении оптические волокна всегда будут устанавливаться в одно и то же положение друг относительно друга, что обеспечивает стабильность характеристик разъемного соединения.

Разъемы ST выпускаются как для многомодовых, так и для одномодовых световодов — основное различие состоит в величине допусков. Следует иметь в виду, что многомодовые разъемы ST будут корректно работать только с многомодовыми световодами. Более дорогие одномодовые разъемы ST можно использовать как с одномодовыми, так и с многомодовыми световодами. Процедуры установки разъемов ST и SMA на кабель сходны и занимают примерно одинаковое время. На рис. 9 показаны основные элементы ставшего промышленным стандартом разъема ST.

Рис. 9. Основные элементы разъема ST

Неразъемные соединения световодов

Хотя для соединения двух световодов можно использовать оптические разъемы, существуют другие методы, обеспечивающие значительно более низкие потери. Два наиболее распространенных — механическое соединение и сварное соединение. Оба обеспечивают уровень потерь от 0,15 до 0,1 дБ (3-2%).

Для механического соединения концы световодов освобождаются от оболочек, их торцы очищаются и точно совмещаются с использованием специального механического приспособления. На место соединения наносится оптический гель, снижающий до минимума потери на отражение. Совмещенные концы световодов удерживаются на месте запорным механизмом.

Оптические приемники

Основная задача оптического приемника — преобразование модулированного светового потока, поступающего из оптоволокна, в копию исходного электрического сигнала, поданного на передатчик. В качестве детектора в приемнике обычно используется PIN- или лавинный фотодиод, который устанавливается на оптическом соединителе (подобном используемому для источников света). У фотодиодов обычно довольно большой чувствительный элемент (несколько микрометров в диаметре), поэтому требования к точности позиционирования оптического волокна не такие жесткие, как для передатчиков.

Интенсивность излучения, выходящего из оптоволокна, достаточно мала, и в оптических приемниках устанавливаются внутренние усилители с большим коэффициентом усиления. Поэтому важно использовать приемники только с тем типоразмером волокна, для которого они предназначены, иначе может возникнуть перегрузка усилителя. Если, например, пара передатчик-приемник, предназначенная для одномодового оптоволокна, используется с многомодовым, то в приемник поступит слишком много света, что вызовет его насыщение и серьезное искажение выходного сигнала. Аналогично, при использовании одномодового волокна с передатчиком и приемником, рассчитанными на многомодовое, до приемника дойдет мало света, и выходной сигнал будет содержать много шума или вообще не появится. Единственный случай, когда несоответствие приемника и передатчика типу волокна может оказаться полезным — чрезмерные потери в световоде. Тогда дополнительные 5-15 дБ, которые даст замена одномодового волокна на многомодовое, спасут положение и позволят получить работоспособную систему. Однако это экстремальная ситуация, и такое решение не рекомендуется для нормального применения.

Как и передатчики, оптические приемники выпускаются в аналоговом и цифровом вариантах. В них обоих используется аналоговый предварительный усилитель, за которым включен аналоговый или цифровой выходной каскад.

На рис. 10 показана функциональная схема простого аналогового оптического приемника. Первый каскад — операционный усилитель, включенный как преобразователь тока в напряжение. Слабый ток, генерируемый фотодиодом, преобразуется здесь в напряжение, амплитуда которого обычно составляет несколько милливольт. В следующем каскаде, представляющим собой простой усилитель напряжения, сигнал усиливается до необходимого уровня.

Функциональная схема цифрового оптического приемника показана на рис. 11. Как и в случае аналогового приемника, первый каскад представляет собой преобразователь тока в напряжение. Его выходной сигнал поступает на компаратор напряжения, который выдает чистый цифровой сигнал с малой длительностью перепадов. Регулятор уровня срабатывания компаратора, если он есть, используется для точной настройки симметрии восстановленного цифрового сигнала.

Часто в приемники для наиболее точного воспроизведения входного сигнала добавляются дополнительные каскады, которые работают как линейные усилители для коаксиальных кабелей, преобразователи протоколов и т.п. Следует помнить, что электронные приемники сигнала, в отличие от оптоволоконного кабеля, восприимчивы к электромагнитным помехам, поэтому при работе с ними следует использовать стандартные меры защиты — экранирование, заземление и т.п.

Рис. 10. Простейший аналоговый оптический приемник

Рис. 11. Простейший цифровой оптический приемник

Разработка оптоволоконной системы

При разработке оптоволоконной системы следует учитывать множество факторов, каждый из которых вносит свой вклад в конечную цель — гарантию того, что в приемник поступит достаточное количество света. Без достижения этой цели система не будет работать правильно. На рис. 12 указаны многие из этих факторов.

Рис. 12. Важнейшие параметры, которые необходимо учитывать
при разработке оптоволоконной системы

При инженерной разработке оптоволоконной системы рекомендуется использовать следующую пошаговую процедуру:

Источник