Оптика волоконна: Волоконно-оптический кабель — Википедия – Как строятся оптоволоконные сети / DataLine corporate blog / Habr

Содержание

Волоконная оптика — Википедия

Волоконная оптика — под этим термином понимают

  • раздел оптики, который изучает физические явления, возникающие и протекающие в оптических волокнах, либо
  • продукцию отраслей точного машиностроения, имеющую в своём составе компоненты на основе оптических волокон.

К волоконно-оптическим приборам относятся лазеры, усилители, мультиплексоры, демультиплексоры и ряд других. К волоконно-оптическим компонентам относятся изоляторы, зеркала, соединители, разветвители и др. Основой волоконно-оптического прибора является его оптическая схема — набор волоконно-оптических компонентов, соединённых в определённой последовательности. Оптические схемы могут быть замкнутые или разомкнутые, с обратной связью или без неё

Оптические схемы волоконно-оптического лазера и усилителя

Лазер[править | править код]

На рис.1 показана простейшая схема волоконно-оптического лазера. Буквами обозначены: А — активное волокно, Д — диод накачки, М1 и М2 — зеркала. Как и в случае обычных лазеров, здесь мы имеем резонатор с активной средой, образованный активным волокном и зеркалами. Зеркала обеспечивают обратную связь. Одно из зеркал может иметь 100%-ное отражение. Тогда излучение будет выходить только из противоположного конца резонатора. Диодов накачки может быть несколько, а располагаться они могут с разных сторон резонатора.

Усилитель[править | править код]

На рис.2 показана простейшая схема волоконно-оптического усилителя. Она схожа со схемой лазера за тем лишь исключением, что зеркала заменены изоляторами для подавления обратной связи. Изоляторы пропускают свет только в одном направлении.

Устройство волоконно-оптических компонентов[править | править код]

Зеркала и фильтры[править | править код]

Зеркалом называется компонент, отражающий излучение определённой частоты с определённым коэффициентом отражения. Фильтр, в свою очередь, пропускает излучение определённой частоты, как правило, в узком частотном диапазоне, а остальное излучение поглощает или рассеивает. Для изготовления зеркал и фильтров используются дифракционные решётки, нанесенные на участок сердцевины волокна. Аналог штриха выполняет ультрафиолетовая засветка, которая изменяет свойства волокна в месте облучения. Одна и та же дифракционная решётка для разных частот сигнала будет либо зеркалом, либо фильтром. На основе длиннопериодных волоконных решёток могут создаваться широкополосные фильтры, поглощающие в определённом диапазоне длин волн.

Объединители и разветвители[править | править код]

Представляют собой два параллельных волокна, лишённые оболочки и соприкасающиеся между собой. Соприкосновение и фиксация волокон достигается при высоких температурах — выше температуры плавления волокна. Таким образом, участки волокон сплавляются воедино. В зависимости от длины общего участка в результате интерференции волн можно получить произвольный коэффициент деления выходного сигнала по двум выходным волокнам.

Объединители и разветвители могут также строиться на элементах микрооптики, включая микролинзы и частично-прозрачные зеркала с заданным коэффициентом деления.

Известны конструкции 1980-х гг. со сполированными до световедущей жилы и механически соединёнными волокнами. Однако наиболее распространены сплавные.

Активное волокно[править | править код]

Волокно, способное усиливать или генерировать сигнал определённой частоты. Это достигается введением в кварцевое волокно редкоземельных металлов в зависимости от требуемой частоты усиления. Так, иттербиевые (Yb) примеси дают усиление на длине волны 1,06 мкм, а эрбиевые (Er) на длине волны 1,5 мкм. Пик усиления определяется пиком прозрачности той или иной примеси.

Пассивное волокно[править | править код]

Волокно, не обладающее свойствами усиления. Используется для соединения волоконно-оптических компонентов между собой, а также для увеличения общей протяженности оптической схемы, если это необходимо.

Диоды накачки[править | править код]

Как и в случае обычных лазеров для начала усиления и генерации необходима накачка активной среды. Для накачки активных волокон используют полупроводниковые лазерные диоды. На выходе из полупроводникового кристалла лазерный пучок коллимируют и вводят в волокно. Выбор длины волны диодов накачки обусловлен пиками поглощения активных волокон, которые приходятся на узкие диапазоны в районах 0,81 мкм, 0,98 мкм и 1,48 мкм. Для иттербиевых волокон наиболее эффективна накачка в диапазоне 0,95—0,98 мкм.

Глядя на отношение длин волн накачки и сигнала можно определить максимально возможный КПД лазеров и усилителей. Для иттербиевых волокон он будет 0,95 : 1,06 = 90%. На практике, КПД, конечно оказывается ниже.

  • Бейли Д., Райт Э. Волоконная оптика: теория и практика. Пер. с англ
    . — М.: «КУДИЦ-ПРЕСС», 2008. — С. 320. — ISBN 978-5-91136-048-1.

Оптико-волоконная связь: особенности, плюсы и минусы

Волоконная оптика уже много лет считается одним из центральных направлений развития в области коммуникационных технологий. Специалисты изначально возлагали на эту концепцию большие надежды, которые по сей день только подтверждаются периодическими успехами в деле прокладки сетей связи разного масштаба. В частности, оптико-волоконная связь уже продемонстрировала свою эффективность на примере тихоокеанских коммуникационных линий, а в будущем эту основу планируется использовать в лазерных и сенсорных системах.

Что такое оптоволокно?

Оптическое волокно

Связь на основе оптико-волоконных сетей формируется по принципу электромагнитного излучения, за счет которого передается сигнал. Физическим носителем выступают световоды, характеризующиеся стойкостью к помехам и высокой пропускной способностью. Итак, что такое световод и какое отношение он имеет к передаче данных? Это волокно, выполненное на основе стекла с некоторыми добавками, благодаря которым изготовитель может варьировать отдельные оптические характеристики. Как минимум, требуется нанесение полимерного покрытия, защищающего световод от внешних повреждений. Собственно, и это волокно неоднородно в своей структуре. Оно состоит из сердцевины диаметром порядка 8-10 мкм, а также окружающей оболочки, образующей цилиндр толщиной порядка 100-125 мкм. Принцип работы оптико-волоконного канала связи заключается в способности световода обеспечивать внутреннее отражение электромагнитных волн с определенными показателями преломления. Условный луч света в процессе движения внутри оптоволокна отражается от оболочки изнутри, не покидая контур. Таким образом выполняется доставка сигнала с разными величинами потерь.

Эксплуатационные характеристики оптико-волоконных сетей

Оборудование для эксплуатации оптоволоконной связи

Основные положительные аспекты эксплуатации оптоволоконных линий связаны с высокой скоростью доставки информации. До недавнего времени данная величина выражалась в виде рекордного показателя 1 Терабит в секунду. Однако уже сейчас и эти данные считаются неактуальными с точки зрения рекордных показателей. Так, новые технологии систем волнового мультиплексирования позволили оптическим волокнам обеспечивать скорость обслуживания сигнала на уровне 15 Тбит/с. Крупные телекоммуникационные корпорации практикуют использование многоканальной оптико-волоконной связи на расстояния до 10 000 км с поддержкой скорости в 100 Гбит/с. К слову, одна трасса может содержать до 150-200 каналов, что обуславливается малым диаметром волокон. Одна магистральная линия без внешней защитной оболочки имеет толщину не более 1 см. Что касается величины затухания, которая влияет не только на скорость, но и на общее качество передачи сигнала, то этот показатель в случае с оптоволокном составляет 5 дБ/км. Это крайне хороший показатель по сравнению с традиционными электрическими сетями, что дает возможность прокладывать линии на 100 км и более без промежуточных пунктов преобразования сигнала.

Плюсы технологии

Прокладка оптоволокна

Наряду с высокой скоростью трансляции данных и низким эффектом затухания в числе преимуществ оптиковолокна отмечаются следующие:

  • Долговечность эксплуатации линий.
  • Технологическая надежность.
  • Защищенность от внешних электромагнитных воздействий.
  • Высокий уровень кодирования сигнала, практически исключающий возможность перехвата данных.
  • Широкополосность.
  • Небольшой вес и скромные размеры.

Насколько раскроются вышеперечисленные преимуществ в конкретной линии оптико-волоконной связи, зависит от методов ее прокладки и качества материала. Так, например, одним из важнейших препятствий на пути к массовому переходу на данный способ организации связи в России является низкий уровень специалистов этой области и неудовлетворительное качество расходных материалов.

Минусы технологии

Прокладка оптико-волоконной линии

Существуют и характерные недостатки оптоволоконных сетей, которые могут проявляться даже независимо от качества технической реализации коммуникационных каналов. В их числе отмечается:

  • Высокая стоимость. Как на этапе организации технической инфраструктуры, так и в процессе ее содержания затраты пока еще превосходят расходы на устройство и эксплуатацию более привычных линий связи.
  • Хрупкость структуры. Один из самых чувствительных недостатков оптического волокна заключается в ограничениях при их укладке. Обеспечить долговечность эксплуатации оптико-волоконной связи высокого уровня можно только при условии прямой прокладки линий. Впрочем, и эта проблема постепенно решается именно за счет внесения специальных добавок в структуру сердцевины волокон.
  • Высокие требования к телекоммуникационной инфраструктуре. Опять же, рассчитывать на высокие эксплуатационные показатели при использовании линий оптоволокна можно только при условии, что система организуется на современном сетевом оборудовании.

Применение оптико-волоконной связи в России

Как и в других странах с передовым технологическим развитием, в России оптоволокно в первую очередь находит свое место в отрасли телекоммуникационной связи. Однако это не единственная сфера, осваивающая данную технологию. Оптические волокна используются в измерительном оборудовании, в рентгеновских аппаратах (в том числе МРТ), гироскопах и охранно-сигнализационных комплексах. При этом методики технической интеграции зачастую носят схожий характер, что подтверждает и спектр требующихся работников для организации подобных систем. В частности, вакансии для оптико-волоконной связи включают места для специалистов по сварочным работам, монтажников и проектировщиков инжиниринговых систем То же самое касается сферы технического обслуживания оптико-волоконной инфраструктуры.

Оптико-волоконная связь

Проблемы реализации оптико-волоконной связи

Ряд крупных российских провайдеров, работающих в сфере телекоммуникационного обеспечения, испытывает финансовые сложности с переходом на новые технологии организации сетевого обеспечения. Отчасти это обусловлено высокими затратами на техническое обновление сетей с полной заменой как носителей сигналов, так и эксплуатационного оборудования. Столичная компания МГТС оптико-волоконную связь рассматривает как одно из ключевых направлений развития на сегодняшний день, но в то же время ее представители отмечают и трудности, связанные с нежеланием самих абонентов переходить на новые технологические средства. Многих пользователей удовлетворяет традиционная сеть на медных проводниках, которая обеспечивает достаточные потребительские характеристики передачи данных. Они не хотят переплачивать за нововведения, что заставляет и оператора нести издержки при обслуживании телекоммуникационных сетей двух типов.

Перспективы развития оптоволоконной связи

Технологии оптико-волоконной связи

Если массовый рынок потребления пока еще сдержанно настроен к эволюционному процессу перехода на оптоволокно, то передовые мировые корпорации уже заглядывают в будущее, которое открывают технологии оптико-волоконной связи в самых разных сферах. На текущий момент наиболее перспективными направлениями можно назвать распределенные сенсорные системы и волоконные оптические лазеры. Первая технология позволит осуществлять неразрушающий контроль строительных и инженерных сооружений с широким комплексом выходных данных анализа – в частности, с точными показателями температуры, давления и деформационных процессов объекта. Что касается оптико-волоконных лазеров, то их свойства и характеристики излучаемой волны могут обеспечить беспрецедентные возможности при физической обработке твердотельных материалов.

Заключение

Оптоволоконные системы

Связь на базе оптоволоконной технологии при всех негативных факторах применения расширяет спектр своего охвата. В немалой степени этому способствовал технологический формат сети GPON, представляющей собой оптимизированную концепцию магистральных линий оптико-волоконной связи. «Ростелеком», как одна из крупнейших телекоммуникационных компаний в России, сделала большой шаг в технологическом освоении данного формата. На сегодняшний день она выполняет прокладку линий без промежуточных усилительных узлов на расстояния от 20 до 60 км с поддержкой скорости до 1,25 Гб/с. И это лишь один из возможных форматов использования оптоволокна в сфере телекоммуникаций на сегодняшний день.

прошлое и настоящее / НАГ corporate blog / Habr

В 1966 году ученый и выходец из Китая Чарльз Као Куэн представил миру результаты собственного исследования. Основной посыл его разработок заключался в том, что оптическую связь можно организовать с помощью стеклянного волокна. В своей работе Као представил миру уникальные конструктивные особенности волокна и его материалов. Исследования ученого можно по праву считать основой волоконно-оптических телекоммуникаций сегодняшнего дня. Первое же упоминание термина “оптическое волокно” впервые было использовано в 1956 году компанией NS Kapany из США.

Сегодня технологии волоконно-оптической связи настолько прочно проникли в нашу жизнь, что мы уже не видим в них ничего удивительного и воспринимаем их наличие также, как наличие водопровода в многоквартирном доме. Поэтому в этой публикации хотелось бы подробнее поговорить об оптике и рассказать несколько интересных фактов о технологии, на которой основана современная высокоскоростная связь.

Немного истории


За время истории развития волоконной оптики было проведено множество интересных исследований и экспериментов. Остановим свой взгляд лишь на некоторых из них.

Английский физик Джон Тиндалл провел эксперимент с отражением светового луча в струе воды, описание которого он зафиксировал в своей книге.

«Если угол, под которым падает луч света из воды в воздух (т.е. угол между поверхностью двух сред и перпендикуляром), превышает 48 градусов, то луч не выходит из воды – он полностью отражается от границы вода-воздух… Если наименьший угол падения, при котором наблюдается полное внутреннее отражение, назвать предельным углом, то для воды он будет равным 48°27», для бесцветного стекла (флинтглас) – 38°41″, а для алмаза – 23°42″, — пишет Тиндалл.

Экспериментальная установка Джона Тиндалла

Этот эксперимент при желании может дома поставить любой желающий. Лазерной указкой нужно светить под разными углами в ванной на струю воды из крана. Под определенным углом световой луч будет полностью отражаться в потоке воды.

Аналогичный эксперимент можно произвести и с фонариком. Для этого в прозрачной пластиковой бутылке нужно сделать отверстие сбоку. Пропускаем воду через бутылку и начинаем светить фонарем с противоположной стороны бутылки. Если мы подставив ладонь, то на ней будет отражаться пятно света.

Активные разговоры о волоконных светодиодах начались еще в пятидесятых годах прошлого столетия. Тогда же и начали их делать из разного рода прозрачных материалов. Но прозрачности тех материалов не хватало для хорошей проводимости света.

В те годы Советский Союз даже опережал Запад в сфере волоконной оптики. Первая оптическая линия связи была запущена в СССР в 1977 году в Зеленограде. Канал был создан для соединения Северной промзоны и администрации города. Изготовлена она была на оптическом кабеле разработки особого конструкторского бюро кабельной промышленности (ОКБ КП), входящего в Концерн «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ) Государственной корпорации Ростех, специализирующегося на производстве кабелей и кабельных сборок.

В мае 1981 года в СССР вышло Постановление ЦК КПСС и СМ СССР «О разработке и внедрении световодных систем связи и передачи информации». Это событие стало толчком для развития волоконно-оптической связи и увеличению количества разработок в этой сфере.

В начале 60-х сначала в СССР, а затем и на Западе ученые приходят к выводу, что светопоглощение стекла сильно зависит от красящих материалов и продуктов разъедания огнеупоров. Экспериментально было доказано, что светопоглощение идеально чистого стекла настолько мало, что лежит за пределами чувствительности измерительных приборов.
В 1966 году группа ученых во главе Чарльзом Куэн Као приходит к выводу, что наиболее подходящим материалом для волоконно-оптической связи будет кварцевое стекло. Уже тогда Као считал, что с помощью оптики можно будет передавать информацию и вскоре этот вид связи заменит передачи сигнала по медным проводам.

Спустя три года Као получил волокно с коэффициентом затухания на уровне 4 дБ/км. Это результат стал первым экземпляром сверхпрозрачного стекла. Еще год спустя компания Corning Incorporated произвела волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и достигла коэффициента затухания 20 дБ/км на длине волны 633 нм. Впервые кварцевое волокно пропустило световой луч на расстояние до 2 километров.

Согласитесь в схожем темпе сейчас развивается квантовая передача данных. По чуть-чуть, да понемногу. В качестве экспериментов и коммерческого использования на небольших расстояниях.

Где оптоволокно применяется помимо телекома


Сегодня волокно применяется во множестве отраслей помимо телекома. Это рентгеновские аппараты, где оно обеспечивает гальваническую развязку между источником высокого напряжения и низковольтным управляющим оборудованием. Так персонал и пациенты получают изоляцию от высоковольтной части аппаратуры. Волокно применяют в распределительных устройствах электроподстанций в качестве датчика системы защиты.

Обширно оптические волокна используют в разного рода измерительных системах, где невозможно применять традиционные электроприборы. Например, в системах измерения температуры в реактивных двигателях самолета, в аппаратах МРТ (томографические медицинские аппараты для исследования внутренних органов, в том числе головного мозга) и др. Датчики на основе оптических волокон могут измерять частоту вибраций, вращения, смещения, скорость и ускорение, вращающий момент, скручивание и другие параметры.

Сегодня применяются гироскопы на основе оптического волокна, которые работают на основе эффекта Саньяка. У такого гироскопа нет подвижных частей, что делает его весьма надежным. Несмотря на то что в современных системах навигации используется огромное количество различных датчиков, благодаря которым определяется положение объекта, наиболее независимую систему можно создать лишь на основе волоконно-оптических гироскопов.
Оптика широко применяется в охранной сигнализации. Устроена такая охранная система следующим образом: когда злоумышленник проникает на территорию условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.

Пример реализации волоконно-оптического гироскопа

Трехосевой волоконно-оптический инерциальный измерительный модуль серии ASTRIX производства фирмы AIRBUS DEFENCE&SPACE; в датчик по каждому направлению встроен LiNb03 модулятор

Волокно активно используется в декоративных целях, как украшение праздников, в искусстве и рекламе.

Постоянно разрабатываются новые типы оптических волокон. К примеру, фотонно-кристаллических световоды. Распространение света в них основано на несколько иных принципах. Такое волокно можно использовать в качестве жидкостных, химических и газовых датчиков. Кроме того его можно применять для для транспортировки мощного излучения в промышленных или медицинских целях.

Уже не в новинку волоконные лазеры с выходной мощностью непрерывного излучения в несколько десятков киловатт. Оружие на основе 6-волоконных 5.5 кВт лазеров еще в 2014 году испытали в американском флоте. Волоконным лазерами режут металл и бетон. Например, установка для резки металла компании IPG Photonics имеет мощность в 100 кВт.

Полным ходом идет разработка оптоволокна, с помощью которого можно было бы передавать энергию лазерного излучения мощность в несколько киловатт. В теории передача излучения мощность 10 кВт по волокну длиной 250 м при диаметре сердцевины 150 мкм считается возможной.

Фотонно-кристаллическое волокно

Также стоит отметить, что сегодня активно разрабатываются многосердцевинные волокна. Их использование позволит значительно увеличить общую пропускную способность ВОЛС.
Волокну уже за пятьдесят, но технология явно не собирается на пенсию. Инновации в сфере оптоволокна появляются регулярно и телеком здесь далеко не единственная отрасль заинтересованная в развитии технологии.

Оптическое волокно — это… Что такое Оптическое волокно?

Пучок оптических волокон

Опти́ческое волокно́ — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Волоконная оптика — раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна. Кабели на базе оптических волокон используются в волоконно-оптической связи, позволяющей передавать информацию на бо́льшие расстояния с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи. В ряде случаев они также используются при создании датчиков.

История

Принцип передачи света, используемый в волоконной оптике, был впервые продемонстрирован в XIX веке, но развитие современной волоконной технологии началось в 1950-х годах. Изобретение лазеров сделало возможным построение волоконно-оптических линий передач, превосходящих по своим характеристикам традиционные проводные средства связи.

Материалы

Стеклянные оптические волокна делаются из кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как фторцирконат, фторалюминат и халькогенидные стекла. Как и другие стекла, эти имеют показатель преломления около 1,5.

В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон. Сердечник в таком волокне изготовляют из полиметилметакрилата (PMMA), а оболочку из фторированных PMMA (фторполимеров).

Конструкция

Оптическое волокно, как правило, имеет круглое сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479. Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней. Возможны и более сложные конструкции: в качестве сердцевины и оболочки могут применяться двумерные фотонные кристаллы, вместо ступенчатого изменения показателя преломления часто используются волокна с градиентным профилем показателя преломления, форма сердцевины может отличаться от цилиндрической. Такие конструкции обеспечивают волокнам специальные свойства: удержание поляризации распространяющегося света, снижение потерь, изменение дисперсии волокна и др.

Оптические волокна, используемые в телекоммуникациях, как правило, имеют диаметр 125±1 микрон. Диаметр сердцевины может отличаться в зависимости от типа волокна и национальных стандартов.

Классификация

Профиль показателя преломления различных типов оптических волокон: слева вверху — одномодовое волокно, слева внизу — многомодовое ступенчатое волокно, справа — градиентное волокно с параболическим профилем.

Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 10 микрон. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну лишь одной моды электромагнитного излучения, за счёт чего исключается влияние дисперсионных искажений. В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми.[1]

Существует три основных типа одномодовых волокон:

  1. Одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (стандартное) (англ. SMF — Step Index Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи.
  2. Одномодовое волокно со смещённой дисперсией (англ. DSF — Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.653. В волокнах DSF с помощью примесей область нулевой дисперсии смещена в третье окно прозрачности, в котором наблюдается минимальное затухание.
  3. Одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (англ. NZDSF — Non-Zero Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.655.

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62,5 микрон в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения — каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе — показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т. д.

Полимерные (пластиковые) волокна производят диаметром 50, 62.5, 120 и 980 микрон и оболочкой диаметром 490 и 1000 мкм.

Применение

Волоконно-оптическая связь

Волоконно-оптический кабель.

Основное применение оптические волокна находят в качестве среды передачи на волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей. Применение оптических волокон для линий связи обусловлено тем, что оптическое волокно обеспечивает высокую защищенность от несанкционированного доступа, низкое затухание сигнала при передаче информации на большие расстояния и возможность оперировать с чрезвычайно высокими скоростями передачи. Уже к 2006-му году была достигнута скорость модуляции 111 ГГц[2][3], в то время как скорости 10 и 40 Гбит/с стали уже стандартными скоростями передачи по одному каналу оптического волокна. При этом каждое волокно, используя технологию спектрального уплотнения каналов может передавать до нескольких сотен каналов одновременно, обеспечивая общую скорость передачи информации, исчисляемую терабитами в секунду.

Волоконно-оптический датчик

Оптическое волокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, даёт волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях.

Оптическое волокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптическим волокном[4].

Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Они хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Оптическое волокно применяется в лазерном гироскопе, используемом в Boeing 767 и в некоторых моделях машин (для навигации). Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна, полученные при вращении заготовки с сильным встроенным двойным лучепреломлением.

Другие применения оптического волокна

Диск фрисби, освещённый оптическим волокном

Оптические волокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптические волокна направляют солнечный свет с крыши в какую-нибудь часть здания. Волоконно-оптическое освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные рождественские ёлки.

Оптическое волокно также используется для формирования изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно с линзами — например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.

Один из способов механической шифровки изображения заключается в следующем: большое количество оптических волокон, оба конца которых расположены упорядоченно, тщательно переплетают в середине, а затем разрезают пополам. Одна половина получившейся конструкции используется для шифровки изображения, а другая — для дешифровки: изображение, пройдя через переплетённые световоды, превращается в бессмысленный набор точек разного цвета, но после прохода через вторую половину этот набор точек восстанавливается до оригинала. Преимущество этого метода заключается в простоте изготовления шифрующего механизма и в невозможности расшифровать передаваемое изображение без шифратора или дешифратора (шифратор и дешифратор в такой системе абсолютно взаимозаменяемы). Недостаток заключается в значительной потере качества изображения, зависящей от толщины используемых световодов, и в необходимости очень точно позиционировать зашифрованное изображение перед дешифратором — малейший перекос будет препятствовать расшифровке.

Оптическое волокно используется при конструировании волоконного лазера.

Примечания

См. также

Литература

  • Листвин А. В., Листвин В. Н., Швырков Д. В. Оптические волокна для линий связи. — М.: ЛЕСАРарт, 2003. — 288 с. — 10 000 экз. — ISBN 5-902367-01-8
  • Gambling, W. A., «The Rise and Rise of Optical Fibers», IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 6, No. 6, pp. 1084-1093, Nov./Dec. 2000
  • Gowar, John, Optical Communication Systems, 2 ed., Prentice-Hall, Hempstead UK, 1993 (ISBN 0-13-638727-6)
  • Hecht, Jeff. City of Light, The Story of Fiber Optics. — New York: Oxford University Press, 1999. — ISBN 0-19-510818-3
  • Hecht, Jeff, Understanding Fiber Optics, 4th ed., Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, USA 2002 (ISBN 0-13-027828-9)
  • Nagel S. R., MacChesney J. B., Walker K. L., «An Overview of the Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD) Process and Performance», IEEE Journal of Quantum Mechanics, Vol. QE-18, No. 4, April 1982
  • Ramaswami, R., Sivarajan, K. N. Optical Networks: A Practical Perspective. — San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers, 1998. — ISBN 1-55860-445-6

Ссылки

Волоконно-оптическая связь — это… Что такое Волоконно-оптическая связь?

Волоко́нно-опти́ческая связь — вид проводной электросвязи, использующий в качестве носителя информационного сигнала электромагнитное излучение оптического (ближнего инфракрасного) диапазона, а в качестве направляющих систем — волоконно-оптические кабели. Благодаря высокой несущей частоте и широким возможностям мультиплексирования, пропускная способность волоконно-оптических линий многократно превышает пропускную способность всех других систем связи и может измеряться терабитами в секунду. Малое затухание света в оптическом волокне позволяет применять волоконно-оптическую связь на значительных расстояниях без использования усилителей. Волоконно-оптическая связь свободна от электромагнитных помех и труднодоступна для несанкционированного использования — незаметно перехватить сигнал, передаваемый по оптическому кабелю, технически крайне сложно.

Физическая основа

В основе волоконно-оптической связи лежит явление полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления. Оптическое волокно состоит из двух элементов — сердцевины, являющейся непосредственным световодом, и оболочки. Показатель преломления сердцевины несколько больше показателя преломления оболочки, благодаря чему луч света, испытывая многократные переотражения на границе сердцевина-оболочка, распространяется в сердцевине, не покидая её.

Применение

Волоконно-оптическая связь находит всё более широкое применение во всех областях — от компьютеров и бортовых космических, самолётных и корабельных систем, до систем передачи информации на большие расстояния, например, в настоящее время успешно используется волоконно-оптическая линия связи Западная Европа — Япония, большая часть которой проходит по территории России. Кроме того, увеличивается суммарная протяжённость подводных волоконно-оптических линий связи между континентами.

Волокно в каждый дом (англ. Fiber to the premises, FTTP или Fiber to the home, FTTH) — термин, используемый телекоммуникационными провайдерами, для обозначения широкополосных телекоммуникационных систем, базирующихся на проведении волоконного канала и его завершения на территории конечного пользователя путём установки терминального оптического оборудования для предоставления комплекса телекоммуникационных услуг, включающего:

  • высокоскоростной доступ в Интернет;
  • услуги телефонной связи;
  • услуги телевизионного приёма.

Стоимость использования волоконно-оптической технологии уменьшается, что делает данную услугу конкурентоспособной по сравнению с традиционными услугами.

История

Историю систем передачи данных на большие расстояния следует начинать с древности, когда люди использовали дымовые сигналы. С того времени эти системы кардинально улучшились, появились сначала телеграф, затем — коаксиальный кабель. В своем развитии эти системы рано или поздно упирались в фундаментальные ограничения: для электрических систем это явление затухания сигнала на определённом расстоянии, для СВЧ — несущая частота. Поэтому продолжались поиски принципиально новых систем, и во второй половине XX века решение было найдено — оказалось, что передача сигнала с помощью света гораздо эффективнее как электрического, так и СВЧ-сигнала.

В 1966 году Као и Хокам из STC Laboratory (STL) представили оптические нити из обычного стекла, которые имели затухание в 1000 дБ/км (в то время как затухание в коаксиальном кабеле составляло всего 5-10 дБ/км) из-за примесей, которые в них содержались и которые в принципе можно было удалить.

Существовало две глобальных проблемы при разработке оптических систем передачи данных: источник света и носитель сигнала. Первая разрешилась с изобретением лазеров в 1960 году, вторая — с появлением высококачественных оптических кабелей в 1970 году. Это была разработка Corning Incorporated (англ.). Затухание в таких кабелях составляло около 20 дБ/км, что было вполне приемлемым для передачи сигнала в телекоммуникационных системах. В то же время, были разработаны достаточно компактные полупроводниковые GaAs-лазеры.

После интенсивных исследований в период с 1975 по 1980 год появилась первая коммерческая волоконно-оптическая система, оперировавшая светом с длиной волны 0,8 мкм и использовавшая полупроводниковый лазер на основе арсенида галлия (AsGa). Битрейт систем первого поколения составлял 45 Мбит/с, расстояние между повторителями — 10 км.

22 апреля 1977 года в Лонг-Бич, штат Калифорния, компания General Telephone and Electronics впервые использовала оптический канал для передачи телефонного трафика на скорости 6 Мбит/с.

Второе поколение волоконно-оптических систем было разработано для коммерческого использования в начале 1980-х. Они оперировали светом с длиной волны 1,3 мкм от InGaAsP-лазеров. Однако такие системы всё ещё были ограниченны из-за рассеивания, возникающего в канале. Однако уже в 1987 году эти системы работали на скорости до 1,7 Гбит/с при расстоянии между повторителями 50 км.

Первый трансатлантический телефонный оптический кабель (TAT-8) был введён в эксплуатацию в 1988 году. В его основе лежала оптимизированная Э. Дезюрвиром (E.Desurvire) технология лазерного усиления. TAT-8 разрабатывался как первый подводный волоконно-оптический кабель между Соединёнными Штатами и Европой.

Разработка систем волнового мультиплексирования позволила в несколько раз увеличить скорость передачи данных по одному волокну и к 2003 году при применении технологии спектрального уплотнения была достигнута скорость передачи 10,92 Тбит/с (273 оптических канала по 40 Гбит/с).[1] В 2009 году лаборатории Белла посредством мультиплексирования 155 каналов по 100 Гбит/с удалось передать данные со скоростью 15,5 Тбит/с на расстояние 7000 км.[2]

См. также

Примечания

Оптоволокно — это… Что такое Оптоволокно?

Связка оптоволокна. Теоретически, использование передовых технологий, таких как DWDM, со скромным количеством волокон, которое представлено здесь, может дать достаточную пропускную способность, с помощью которой легко было бы передать всю необходимую информацию, в которой нуждается вся планета (около 100 терабит в секунду в одном оптоволокне. )

Оптоволокно — это стеклянная или пластиковая нить, используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Волоконная оптика — раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна. Оптоволокна используются в оптоволоконной связи, которая позволяет передавать цифровую информацию на большие расстояния и с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи. В ряде случаев они также используются при создании датчиков.

Простой принцип действия позволяет использовать различные методы, дающие возможность создавать самые разнообразные оптоволокна:

  • Одномодовые оптоволокна
  • Многомодовые оптоволокна
  • Оптоволокна с градиентным показателем преломления
  • Оптоволокна со ступенчатым профилем распределения показателей преломления.

Из-за физических свойств оптоволокна необходимы специальные методы для их соединения с оборудованием. Оптоволокна являются базой для различных типов кабелей, в зависимости от того, где они будут использоваться.

Принцип передачи света внутри оптоволокна был впервые продемонстрирован во времена королевы Виктории (1837—1901 гг.), но развитие современных оптоволокон началось в 1950-х годах. Они стали использоваться в связи несколько позже, в 1970-х; с этого момента технический прогресс значительно увеличил диапазон применения и скорость распространения оптоволокон, а также уменьшил стоимость систем оптоволоконной связи.

Применение

Оптоволоконная связь

Оптоволокно может быть использовано как средство для дальней связи и построения компьютерной сети, вследствие своей гибкости, позволяющей даже завязывать кабель в узел. Несмотря на то, что волокна могут быть сделаны из прозрачного пластичного оптоволокна или кварцевого волокна, волокна, использующиеся для передачи информации на большие расстояния, всегда сделаны из кварцевого стекла, из-за низкого оптического ослабления электромагнитного излучения. В связи используются многомодовые и одномодовые оптоволокна; многомодовое оптоволокно обычно используется на небольших расстояниях (до 500 м), а одномодовое оптоволокно — на длинных дистанциях. Из-за строгого допуска между одномодовым оптоволокном, передатчиком, приемником, усилителем и другими одномодовыми компонентами, их использование обычно дороже, чем применение мультимодовых компонентов.

Оптоволоконный датчик

Оптоволокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, дает оптоволоконным датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определенных областях.

Оптоволокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптоволокном[1].

Оптоволоконные датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Оптоволоконные датчики хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков (Оптоволоконное измерение температуры).

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Другое применение оптоволокна — в качестве датчика в лазерном гироскопе, который используется в Boeing 767 и в некоторых моделях машин (для навигации). Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна полученные при вращении заготовки с сильным встроеным двойным лучепреломлением.

Оптоволокно применяется в охранной сигнализации на особо важных объектах (например, ядерное оружие). Когда злоумышленик пытается переместить боеголовку, условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.

Другие применения оптоволокна

Диск фрисби, освещенный оптоволокном

Оптоволокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптоволокна используются для обозначения маршрута с крыши в какую-нибудь часть здания. Оптоволоконное освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные ёлки.

Оптоволокно также используется для формирования изображения. Когерентный пучок, передаваемый оптоволокном, иногда используется совместно с линзами — например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.

Примечания

См. также

Литература

  • Gambling, W. A., «The Rise and Rise of Optical Fibers», IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 6, No. 6, pp. 1084–1093, Nov./Dec. 2000
  • Gowar, John, Optical Communication Systems, 2 ed., Prentice-Hall, Hempstead UK, 1993 (ISBN 0-13-638727-6)
  • Hecht, Jeff, City of Light, The Story of Fiber Optics, Oxford University Press, New York, 1999 (ISBN 0-19-510818-3)
  • Hecht, Jeff, Understanding Fiber Optics, 4th ed., Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, USA 2002 (ISBN 0-13-027828-9)
  • Nagel S. R., MacChesney J. B., Walker K. L., «An Overview of the Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD) Process and Performance», IEEE Journal of Quantum Mechanics, Vol. QE-18, No. 4, April 1982
  • Ramaswami, R., Sivarajan, K. N., Optical Networks: A Practical Perspective, Morgan Kaufmann Publishers, San Francisco, 1998 (ISBN 1-55860-445-6)

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

Оптико-волоконная сеть — это… Что такое Оптико-волоконная сеть?


Оптико-волоконная сеть

Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) представляет собой волоконно-оптическую систему, состоящую из пассивных и активных элементов, предназначенных для передачи оптического сигнала по оптоволоконному кабелю.

Элементы ВОЛС

Схема волоконно-оптической линии связи

  • оптический кабель — состоит из оптических волокон, находящихся под общей защитной оболочкой. Наружняя оболочка кабеля может быть изготовлена из различных материалов: поливинилхлорида, полиэтилена, полипропилена, тефлона и других материалов.
  • Мультиплексор/Демультиплексор — для объединения нескольких каналов в один для передачи его по оптоволокну.
  • Регенератор — ставится на магистрали для усиления сигнала.
  • лазер — для формирования первоначального оптического сигнала с целью его последующей передачи по кабелю;
  • датчики — для приёма сигнала на концах оптоволоконного кабеля.

Иногда в состав ВОЛС и их системы также включают конвертер (преобразователь) информационной среды, передающий принятый датчиками оптический сигнал для последующей передачи по кабелям наподобие UTP либо по оптическим кабелям с другими характеристиками.

Монтаж ВОЛС

Применение ВОЛС

ВОЛС могут как образовывать новую сеть, так и служить для объединения уже существующих сетей — участков магистралей оптических волокон, объединённых физически — на уровне световода, либо логически — на уровнях протоколов передачи данных.

В случае объединения на физическом уровне используется сварка волокна или механическое соединение, позволяющее создать физическое соединение между отправителем и получателем сигнала, что даёт высокий уровень безопасности отправляемым данным.

В случае объединения на логическом уровне применяются протоколы маршрутизации, реализованные в соответствии со стандартами (разработками) вычисляемых векторов коммутации пакетов данных.

ВОЛС целесообразно использовать при объединении локальных сетей в разных зданиях, в многоэтажных и протяжённых зданиях, а также в сетях, где предъявляются особо высокие требования к информационной безопасности и защите от электромагнитных помех. В настоящее время ВОЛС считаются самой совершенной физической средой для передачи информации.

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

  • Оптика тонких пленок
  • Оптик

Смотреть что такое «Оптико-волоконная сеть» в других словарях:

  • Сеть SAN — Сеть хранения данных (Storage Area Network), специальная сеть для быстрой передачи больших объемов данных (обычно оптико волоконная или использующая медные провода, а также гигабитный Ethernet (См.)). В полиграфии используется для хранения… …   Краткий толковый словарь по полиграфии

  • Телекоммуникации в Гонконге — Содержание 1 Телефония 1.1 Телефонная система 2 Радио 3 Тел …   Википедия

  • МОВС — Московская оптико волоконная сеть Московская оптоволоконная сеть …   Словарь сокращений русского языка

  • Железная дорога Баку — Железная дорога Баку  Тбилиси  Карс …   Википедия

  • Европа — (Europe) Европа – это плотнонаселенная высокоурбанизированная часть света названная в честь мифологической богини, образующая вместе с Азией континент Евразия и имеющая площадь около 10,5 миллионов км² (примерно 2 % от общей площади Земли) и …   Энциклопедия инвестора

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о