Общие принципы построения волоконно-оптических систем передачи. Краткий исторический очерк

Глава 6. Основы построения волоконно-оптических систем передачи.

Основным направлением развития телекоммуникационных сис­тем является широкое применение волоконно-оптических систем передачи (ВОСП), под которыми понимается совокупность актив­ных и пассивных устройств, предназначенных для передачи со­общений на расстояния по оптическим волокнам (ОВ) с помощью оптических волн и сигналов. Другими словами, ВОСП - это сово­купность оптических устройств и оптических линий передачи, обеспечивающая формирование, обработку и передачу оптиче­ских сигналов. Физической средой распространения оптических сигналов являются волоконно-оптические или, просто, оптические кабели и создаваемые на их основе волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Совокупность ВОСП и ВОЛС образует волоконно-оптическую линию передачи (ВОЛП).

В ВОСП передача сообщений осуществляется посредством световых волн от 0,1 мкм до 1 мм. Диапазоны длин волн (или частот), в пределах которых обеспечиваются наилучшие условия распространения световых волн по оптическому волокну, называ­ются его окнами прозрачности.

В настоящее время для построения ВОСП используются длины волн от 0,8 мкм до 1,65 мкм (в дальнейшем предполагается освое­ние и более длинных волн - 2,4 и 2,6 мкм), называемые инфракрас­ным излучением (просто светом) или оптическим излучением (ОИ).

Для увеличения дальности передачи засчет наилучшего рас­пространения световой волны были исследованы различные опти­ческие волноводы, называемые оптическими волокнами (ОВ) или световодами, под которыми понимаются направляющие каналы для передачи оптического излучения, состоящие из сердцевины, окруженной оболочкой (оболочками). ОВ в сочетании с оптоэлектронными технологиями (генерация оптического излучения, его усиление, прием, обработка оптических сигналов и др.) дали разви­тие современному направлению техники, носящему название воло­конной оптики - раздела оптики, рассматривающего передачу излучения по волоконным световодам - оптическим волокнам.

Нижеперечисленные достоинства ВОЛС обеспечили их быстрое и широкое применение:

1. Возможность получения ОВ с параметрами, обеспечивающи­ми расстояние между ретрансляторами не менее 100...150 км.

2. Производство оптических кабелей (ОК) с малыми габаритны­ми размерами и массой при высокой информационной пропускной способности.

3. Постоянное и непрерывное снижение стоимости производства оп­тических кабелей и совершенствование технологии их производства.

4. Высокая защищенность от внешних электромагнитных воздей­ствий и переходных помех.

5. Высокая скрытность связи (утечка информации): ответвление сигнала возможно только при непосредственном подсоединении к отдельному волокну.

6. Гибкость в реализации требуемой полосы пропускания: ОВ различных типов позволяют заменить электрические кабели в цифровых системах передачи всех уровней иерархии.

7. Возможность постоянного совершенствования ВОСП по мере появления новых источников оптического излучения, оптических волокон, фотоприемников и усилителей оптического излучения с улучшенными характеристиками или при повышении требований к их характеристикам при полном сохранении совместимости с другими системами передачи.

8. Соответствующим образом спроектированные ВОЛС относи­тельно невосприимчивы к неблагоприятным температурным усло­виям и влажности и могут быть использованы для подводных кабелей.

9. Надежная техника безопасности (безвредность во взрыво­опасных средах, отсутствие искрения и короткого замыкания), воз­можность обеспечения полной электрической изоляции.

Благодаря этим преимуществам ВОСП находят самое широкое применение при создании систем связи как на региональном уровне, так и при создании транснациональных систем связи. Так, завершено создание Транссибирской оптической линии (ТСЛ) протяженностью около 17 000 км, проходящей по всей территории России, которая свяжет Восток и Запад страны со странами Европы, Азии и Америки. Входя в мировую транснациональную сеть связи, ТСЛ замыкает глобальное волоконно-оптическое кольцо цифровой связи, которое охватывает четыре континента - Европу, Азию, Америку, Австралию и три океана - Атлантический, Тихий и Индий­ский. Кроме того, действуют подводные оптические магистрали между США и Европой через Атлантический океан, Австралия - Новая Зеландия - Гавайи - Северная Америка протяженностью 16 000 км.

К концу XX века завершена прокладка трансатлантической ВОЛС протяженностью около 6000 км без ретрансляторов между Амери­кой и Европой. Эта линия сооружена на волокне из тетрафторида циркония, имеющего на длине волны 2,5 мкм затухание 0,01 дБ/км, или из фторида бериллия с затуханием 0,005 дБ/км на длине волны 2,1 мкм.

Для описания параметров оптических кабелей и компонентов ВОСП используется как частота, так и длина волны оптического излучения. Связь между длиной волны и частотой оптического сигнала оп­ределяются соотношением:

где - длина волны оптического излучения в среде распространения; - частота сигнала; - скорость света в среде распространения.

Скорость света при распространении его через оптически про­зрачный материал связана с его показателем преломления следующим образом:

здесь - скорость света в вакууме; - показатель преломления среды распространения оптического сигнала.

Очевидно, что длина волны оптического сигнала изменяется с изменением показателя преломления среды

где называется длиной волны в свободном пространстве, т.е. длиной волны, которая будет измерена в вакууме.

Очень часто особое значение приобретает разница между дли­нами волн или разница частот.

Эти уравнения весьма полезны, так как часто возникает необхо­димость преобразования данных параметров из одних единиц измерения в другие. Так, например, в полосе пропускания ВОСП с центральной длиной волны = 1,3 мкм ширина полосы излучения равна = 0,0001 мкм, а ширина полосы частот излучения будет равна = 40 ГГц.

§ Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передачи

В состав волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) вхо­дят следующие технические средства:

1) каналообразующее оборудование (КОО) тракта передачи, обеспечивающее формирование определенного числа типовых каналов или типовых групповых трактов со стандартной шириной полосы пропускания или скоростью передачи;

2) оборудование сопряжения (ОС) тракта, необходимое для со­пряжения параметров многоканального сигнала на выходе КОО с параметрами оптического передатчика;

3) оптический передатчик (ОПер), обеспечивающий преобразо­вание электрического сигнала в оптический сигнал, длина волны которого совпадает с одним из окон прозрачности оптического волокна; в состав ОПер входят: источник оптического излучения (ИОИ) - оптической несущей, один или несколько параметров которой модулируются электрическим многоканальным сигналом, поступающим с ОС, и согласующее устройство (СУ), необходимое для ввода оптического излучения в волокно оптического кабеля с минимально возможными потерями; как правило, источник оптиче­ского излучения и согласующее устройство образуют единый блок, называемый передающим оптическим модулем (ПОМ);

4) оптический кабель, волокна которого (ОВ) служат средой рас­пространения оптического излучения;

5) оптический ретранслятор (OP), обеспечивающий компенсацию затухания сигнала при его прохождении по оптическому волокну (ОВ) и коррекцию различного вида искажений; (ОР) могут быть обслужи­ваемыми или необслуживаемыми и устанавливаются через опреде­ленные расстояния, называемые ретрансляционными участками; в ОР может производиться обработка (усиление, коррекция, регенера­ция и т.д.) как электрического сигнала, который получается путем преобразования оптического сигнала и последующего преобразования скорректированного электрического сигнала в оптический, так и опти­ческого сигнала с помощью оптических квантовых усилителей;

6) оптический приемник (ОПр), обеспечивающий прием оптиче­ского излучения и преобразования его в электрический сигнал; ОПр включает в себя согласующее устройство (СУ), необходимое для вывода оптического излучения из ОВ с минимальными потерями, и приемник оптического излучения (ПОИ); совокупность согла­сующего устройства и приемника оптического излучения представляет приемный оптический модуль (ПРОМ);

7) оборудование сопряжения (ОС) тракта приема, преобразую­щее сигнал на выходе ПРОМ в многоканальный сигнал соответствующего КОО;

8) каналообразующее оборудование (КОО) тракта приема, осу­ществляющее обратные преобразования многоканального сигнала в сигналы отдельных типовых каналов и трактов.

Обобщенная структурная схема ВОСП приведена на рис.

Рис. Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передачи

Для модуляции оптической несущей многоканальным электриче­ским сигналом можно использовать частотную (ЧМ), фазовую (ФМ), амплитудную (AM), поляризационную (ПМ) модуляции, модуляцию по интенсивности (МИ) и др.

При фиксированных пространственных координатах мгновен­ное значение электрического поля монохроматического оптического излучения можно записать в виде

где - амплитуда поля; и - соответственно частота и фаза оптической несущей.

Тогда мгновенное значение интенсивности оптического излучения будет равно

а усредненное значение по периоду равно

Величина называется средней интенсивностью или мощно­стью оптического излучения.

При модуляции интенсивности (МИ) именно величина изме­няется в соответствии с модулирующим многоканальным сигналом.

Обладая волновой природой, оптическое излучение в то же время является дискретным. Оно излучается и поглощается только в виде дискретных квантов - фотонов с энергией, где - постоянная Планка. Поэтому мощность оптического излучения можно характе­ризовать интенсивностью потока фотонов (числом в единицу време­ни),которая и модулируется многоканальным сигналом.

Отметим, что МИ нашла самое широкое применение при по­строении волоконно-оптических систем передачи, так как приводит к относительно простым техническим решениям при реализации устройств управления (модуляции) интенсивностью излучения полупроводниковых источников и обратного преобразования опти­ческого сигнала в электрический, т.е. демодуляции.