Fiberoptiske kommunikasjonslinjer.

Optisk fiber (dielektriske bølgeledere) har den høyeste gjennomstrømningen blant alle eksisterende kommunikasjonsmedier. Fiberoptiske kabler brukes til å lage fiberoptiske kommunikasjonslinjer som er i stand til å gi den høyeste hastigheten på informasjonsoverføring (avhengig av typen aktivt utstyr som brukes, kan overføringshastigheten være titalls gigabyte og til og med terabyte per sekund).

Kvartsglass, som er bærermediet for fiberoptiske lenker, i tillegg til unike overføringsegenskaper, har en annen verdifull egenskap - lave tap og ufølsomhet for elektromagnetiske felt. Dette skiller den fra konvensjonelle kobberkablingssystemer.

Dette informasjonsoverføringssystemet brukes vanligvis i bygging av arbeidsfasiliteter som eksterne motorveier som forener isolerte strukturer eller bygninger, samt bygninger med flere etasjer. Den kan også brukes som en intern bærer av et strukturert kablingssystem (SCS), men komplette SCS laget utelukkende av fiber er mindre vanlige - på grunn av de høye kostnadene ved å bygge optiske kommunikasjonslinjer.

Bruken av fiberoptiske kommunikasjonslinjer lar deg lokalt kombinere arbeidsplasser, gi høyhastighets Internett-nedlastinger på alle maskiner samtidig, høykvalitets telefonkommunikasjon og TV-mottak.

Med riktig utforming av det fremtidige systemet (dette stadiet innebærer å løse arkitektoniske problemer, samt velge passende utstyr og metoder for tilkobling av støttekabler) og profesjonell installasjon, gir bruken av fiberoptiske linjer en rekke betydelige fordeler:

  • Høy gjennomstrømning på grunn av høy bærefrekvens. Potensialet til en optisk fiber er flere terabiter med informasjon på 1 sekund.
  • Fiberoptisk kabel har et lavt støynivå, noe som har en positiv effekt på dens gjennomstrømning og evne til å overføre signaler av ulike modulasjoner.
  • Brannsikkerhet (brannmotstand). I motsetning til andre kommunikasjonssystemer, kan fiberoptiske linjer brukes uten restriksjoner i høyrisikobedrifter, spesielt i petrokjemiske anlegg, på grunn av fravær av gnister.
  • På grunn av den lave dempningen av lyssignalet kan optiske systemer kombinere arbeidsområder over betydelige avstander (mer enn 100 km) uten bruk av ekstra repeatere (forsterkere).

  • Informasjonssikkerhet. Fiberoptisk kommunikasjon gir pålitelig beskyttelse mot uautorisert tilgang og avskjæring av konfidensiell informasjon. Denne optikkens evne forklares av fraværet av stråling i radioområdet, samt høy følsomhet for vibrasjoner. Ved avlyttingsforsøk kan det innebygde overvåkingssystemet slå av kanalen og varsle om et mistenkt hack. Dette er grunnen til at fiberoptiske kommunikasjonslinjer brukes aktivt av moderne banker, forskningssentre, rettshåndhevelsesorganisasjoner og andre strukturer som jobber med gradert informasjon.
  • Høy pålitelighet og støyimmunitet til systemet. Fiberen, som er en dielektrisk leder, er ikke følsom for elektromagnetisk stråling og er ikke redd for oksidasjon og fuktighet.
  • Økonomisk. Til tross for at etableringen av optiske systemer, på grunn av deres kompleksitet, er dyrere enn tradisjonelle SCS, får eieren deres reelle økonomiske fordeler. Optisk fiber, som er laget av kvarts, koster omtrent 2 ganger mindre enn kobberkabel; i tillegg, når du bygger store systemer, kan du spare på forsterkere. Hvis, når du bruker et kobberpar, må repeatere installeres med noen få kilometers mellomrom, så i en fiberoptisk linje er denne avstanden minst 100 km. Samtidig er hastigheten, påliteligheten og holdbarheten til tradisjonelle SCS betydelig dårligere enn optikk.

  • Levetiden til fiberoptiske linjer er et halvt kvart århundre. Etter 25 års kontinuerlig bruk øker signaldempingen i bæresystemet.
  • Hvis vi sammenligner kobber og optiske kabler, vil den andre med samme båndbredde veie omtrent 4 ganger mindre, og volumet, selv når du bruker beskyttelseshylster, vil være flere ganger mindre enn kobber.
  • Utsikter. Bruken av fiberoptiske kommunikasjonslinjer gjør det mulig å enkelt øke datakapasiteten til lokale nettverk på grunn av installasjon av raskere aktivt utstyr, uten å erstatte kommunikasjon.

Omfang av fiberoptiske kommunikasjonslinjer

Som nevnt ovenfor brukes fiberoptiske kabler (FOC) til å overføre signaler rundt (mellom) bygninger og innenfor objekter. Ved bygging av eksterne kommunikasjonslinjer foretrekkes optiske kabler, og inne i bygninger (interne delsystemer) brukes tradisjonelle tvunnet par kabler sammen med dem. Dermed skilles det mellom FOC for utvendige (utendørs kabler) og interne (innendørs kabler) installasjoner.

Koblingskabler er en egen type: innendørs brukes de som tilkoblingsledninger og horisontal ledningskommunikasjon - for å utstyre individuelle arbeidsplasser, og utenfor - for å koble sammen bygninger.

Installasjon av fiberoptisk kabel utføres ved hjelp av spesialverktøy og enheter.

Lengden på fiberoptiske kommunikasjonslinjer kan nå hundrevis av kilometer (for eksempel når man bygger kommunikasjon mellom byer), mens standardlengden på optiske fibre er flere kilometer (inkludert fordi arbeid med for lange lengder i noen tilfeller er svært upraktisk). Når du konstruerer en rute, er det derfor nødvendig å løse problemet med å skjøte individuelle optiske fibre.

Det er to typer tilkoblinger: avtakbare og permanente. I det første tilfellet brukes optiske kontakter for tilkobling (dette er forbundet med ekstra økonomiske kostnader, og i tillegg, med et stort antall mellomkoblinger, øker optiske tap).

For permanent tilkobling av lokale seksjoner (installasjon av ruter), brukes mekaniske koblinger, limskjøting og sveising av fibre. I sistnevnte tilfelle brukes maskiner for skjøting av optiske fibre. Preferanse gis til en eller annen metode under hensyntagen til formålet og vilkårene for bruk av optikken.

Det vanligste er limteknologi, hvor det brukes spesialutstyr og verktøy og som inkluderer flere teknologiske operasjoner.

Spesielt før tilkobling gjennomgår optiske kabler foreløpig forberedelse: på steder med fremtidige tilkoblinger fjernes det beskyttende belegget og overflødig fiber (det forberedte området renses for hydrofob sammensetning). For å feste lyslederen sikkert i koblingen, brukes epoksylim, som fyller det indre rommet i koblingen (det settes inn i koblingskroppen ved hjelp av en sprøyte eller dispenser). For å herde og tørke limet brukes en spesiell ovn som kan skape en temperatur på 100 grader. MED.

Når limet har herdet, fjernes overflødig fiber og koblingsspissen slipes og poleres (sponkvalitet er av største betydning). For å sikre høy nøyaktighet kontrolleres ytelsen til disse arbeidene ved hjelp av et 200x mikroskop. Polering kan gjøres for hånd eller ved hjelp av en poleringsmaskin.

Den høyeste kvalitetsforbindelsen med minimalt tap sikres ved sveising av fibre. Denne metoden brukes til å lage høyhastighets fiberoptiske linjer. Under sveising smelter endene av lyslederen; for dette kan en gassbrenner, en elektrisk ladning eller laserstråling brukes som en kilde til termisk energi.

Hver metode har sine egne fordeler. Lasersveising, på grunn av fravær av urenheter, lar deg få de reneste forbindelsene. Gassbrennere brukes vanligvis til permanent å skjøte multimodusfibre. Det vanligste er elektrisk sveising, som gir høy hastighet og kvalitet på arbeidet. Smeltetiden for forskjellige typer optiske fibre er forskjellig.

For sveisearbeid brukes spesialverktøy og dyrt sveiseutstyr - automatisk eller halvautomatisk. Moderne sveisemaskiner lar deg kontrollere kvaliteten på sveising, samt teste strekkfuger. Avanserte modeller er utstyrt med programmer som lar deg optimere sveiseprosessen for en bestemt type optisk fiber.

Etter fusjon er skjøten beskyttet av tettsittende rør, som gir ekstra mekanisk beskyttelse.

En annen metode for å skjøte fiberoptiske elementer til en enkelt fiberoptisk linje er en mekanisk forbindelse. Denne metoden gir mindre renslighet av forbindelsen enn sveising, men signaldempingen i dette tilfellet er fortsatt mindre enn ved bruk av optiske kontakter.

Fordelen med denne metoden fremfor andre er at det brukes enkle enheter for å utføre arbeidet (for eksempel et monteringsbord), som gjør at arbeidet kan utføres på vanskelig tilgjengelige steder eller inne i små strukturer.

Mekanisk skjøting innebærer bruk av spesielle koblinger - såkalte skjøter. Det finnes flere typer mekaniske koblinger, som er en langstrakt struktur med en kanal for å gå inn og feste skjøtede optiske fibre. Selve fikseringen er sikret ved hjelp av låsene gitt av designet. Etter tilkobling er skjøtene i tillegg beskyttet av koblinger eller bokser.

Mekaniske koblinger kan brukes gjentatte ganger. Spesielt brukes de under reparasjons- eller restaureringsarbeid på linjen.

FOCL: typer optiske fibre

Optiske fibre som brukes til å bygge fiberoptiske lenker er forskjellige i produksjonsmaterialet og lysets modusstruktur. Materialmessig skilles det mellom helglassfibre (med glasskjerne og optisk glasskledning), helplastfibre (med plastkjerne og kledning) og kombinerte modeller (med glasskjerne og plastkledning). ). Den beste gjennomstrømningen leveres av glassfiber; et billigere plastalternativ brukes hvis kravene til dempnings- og gjennomstrømningsparametere ikke er kritiske.

Introduksjon

I dag spiller kommunikasjon en viktig rolle i vår verden. Og hvis tidligere kobberkabler og ledninger ble brukt til å overføre informasjon, er tiden kommet for optiske teknologier og fiberoptiske kabler. Nå, når du ringer til den andre siden av verden (for eksempel fra Russland til Amerika) eller laster ned en favorittmelodi fra Internett som er på et nettsted et sted i Australia, tenker vi ikke engang på hvordan vi klarer oss å gjøre dette. Og dette skjer takket være bruken av fiberoptiske kabler. For å koble mennesker sammen, bringe dem nærmere hverandre eller til den ønskede informasjonskilden, må kontinenter kobles sammen. For tiden utføres informasjonsutveksling mellom kontinenter hovedsakelig gjennom undersjøiske fiberoptiske kabler. For tiden legges fiberoptiske kabler langs bunnen av Stillehavet og Atlanterhavet, og nesten hele verden er "viklet inn" i et nettverk av fiberkommunikasjonssystemer (Laser Mag.-1993.-No. 3; Laser Focus World.- 1992.-28, nr. 12; Telecom mag.-1993.-Nr. 25; AEU: J. Asia Electron. Union.-1992.-Nr. 5). Europeiske land er forbundet over Atlanterhavet med fiberlinjer til Amerika. USA, gjennom Hawaii-øyene og øya Guam - med Japan, New Zealand og Australia. En fiberoptisk kommunikasjonslinje forbinder Japan og Korea med det russiske fjerne østen. I vest er Russland forbundet med de europeiske landene St. Petersburg - Kingisepp - Danmark og St. Petersburg - Vyborg - Finland, i sør - med de asiatiske landene Novorossiysk - Tyrkia. Samtidig er hoveddrivkraften bak utviklingen av fiberoptiske kommunikasjonslinjer Internett.

Fiberoptiske nettverk er absolutt et av de mest lovende områdene innen kommunikasjon. Kapasiteten til optiske kanaler er størrelsesorden høyere enn informasjonslinjer basert på kobberkabel.

Optisk fiber regnes som det mest perfekte mediet for å overføre store strømmer av informasjon over lange avstander. Den er laget av kvarts, som er basert på silisiumdioksid - et utbredt og rimelig materiale, i motsetning til kobber. Den optiske fiberen er svært kompakt og lett, med en diameter på bare rundt 100 mikron.

I tillegg er optisk fiber immun mot elektromagnetiske felt, noe som eliminerer noen av de typiske problemene med kobberkommunikasjonssystemer. Optiske nettverk er i stand til å overføre signaler over lange avstander med mindre tap. Til tross for at denne teknologien fortsatt er dyr, faller prisene på optiske komponenter stadig, mens egenskapene til kobberlinjer nærmer seg grenseverdiene og krever stadig flere kostnader for videreutvikling av dette området.

Det virker for meg som temaet fiberoptiske kommunikasjonslinjer for øyeblikket er relevant, lovende og interessant å vurdere. Derfor velger jeg det for kursarbeidet mitt og tror at FOCL er fremtiden.

1. Skapelseshistorie

Selv om fiberoptikk er et mye brukt og populært kommunikasjonsmiddel, er selve teknologien enkel og utviklet for lenge siden. Eksperimentet med å endre retningen til en lysstråle ved brytning ble demonstrert av Daniel Colladon og Jacques Babinet tilbake i 1840. Den praktiske anvendelsen av teknologien ble funnet først i det tjuende århundre.

På 1920-tallet demonstrerte eksperimentørene Clarence Hasnell og John Berd muligheten for å overføre bilder gjennom optiske rør.

Oppfinnelsen av fiberoptikk i 1970 av Corning-spesialister anses å være et vendepunkt i historien til utviklingen av fiberoptiske teknologier. Utviklerne klarte å lage en leder som er i stand til å opprettholde minst én prosent av den optiske signaleffekten i en avstand på én kilometer. Etter dagens standarder er dette en ganske beskjeden prestasjon, men den gang, for nesten 40 år siden, var det en nødvendig betingelse for å utvikle en ny type kablet kommunikasjon.

E De første storskala eksperimentene knyttet til fremveksten av FDDI-standarden. Disse første generasjonsnettene er fortsatt i drift i dag.

E Massiv bruk av fiberoptikk knyttet til produksjon av billigere komponenter. Veksthastigheten for fiberoptiske nettverk er eksplosiv.

E Økning i informasjonsoverføringshastigheter, fremvekst av bølgemultipleksteknologier (WDM, DWDM) / Nye typer fiber.

2. Fiberoptiske kommunikasjonslinjer som konsept

1 Optisk fiber og dens typer

En fiberoptisk kommunikasjonslinje (FOCL) er en type overføringssystem der informasjon overføres langs optiske dielektriske bølgeledere, kjent som optisk fiber. Så hva er det?

En optisk fiber er en ekstremt tynn glassylinder, kalt kjernen, dekket med et lag glass (fig. 1), kalt kledningen, med en annen brytningsindeks enn kjernen. Fiberen er preget av diametrene til disse områdene - for eksempel betyr 50/125 en fiber med en kjernediameter på 50 mikron og en ytre kledningsdiameter på 125 mikron.

Fig.1 Optisk fiberstruktur

Lys forplanter seg langs fiberkjernen ved suksessive totale interne refleksjoner ved grensesnittet mellom kjernen og kledningen; dens oppførsel er på mange måter lik hvordan den ville vært om den falt i et rør hvis vegger var dekket med et speillag. Men i motsetning til et konvensjonelt speil, hvis refleksjon er ganske ineffektiv, er total intern refleksjon i hovedsak nær ideell - dette er deres grunnleggende forskjell, som lar lys reise lange avstander langs fiberen med minimalt tap.

En fiber laget på denne måten ((Fig. 2) a)) kalles en trinnvis indeksfiber og multimodusfiber fordi det er mange mulige baner, eller moduser, for en lysstråle å forplante seg.

Dette mangfoldet av moduser resulterer i pulsspredning (utvidelse) fordi hver modus går en annen vei gjennom fiberen, og derfor har forskjellige moduser forskjellige overføringsforsinkelser når de beveger seg fra den ene enden av fiberen til den andre. Resultatet av dette fenomenet er en begrensning av den maksimale frekvensen som effektivt kan overføres for en gitt fiberlengde - å øke enten frekvensen eller fiberlengden utover grensene fører i hovedsak til at påfølgende pulser smelter sammen, noe som gjør dem umulige å skille. For typisk multimodusfiber er denne grensen omtrent 15 MHz km, noe som betyr at et videosignal med en båndbredde på for eksempel 5 MHz kan overføres over en maksimal avstand på 3 km (5 MHz x 3 km = 15 MHz km) . Forsøk på å sende et signal til b ó Enhver ytterligere avstand vil resultere i progressivt tap av høye frekvenser.

Fig.2 Typer optisk fiber

For mange applikasjoner er dette tallet uakseptabelt høyt, og det ble søkt etter en fiberdesign med større båndbredde. En måte er å redusere fiberdiameteren til svært små verdier (8-9 µm), slik at bare én modus blir mulig. Enkeltmodusfibre, som de kalles ((fig. 2) b)) er svært effektive til å redusere spredning, og den resulterende båndbredden - mange GHz km - gjør dem ideelle for offentlige telefon- og telegrafnettverk (PTT) og kabel-tv-nettverk. . Dessverre krever fibre med så liten diameter bruk av en kraftig, nøyaktig innrettet og derfor relativt kostbar laserdiodeemitter, noe som reduserer deres attraktivitet for mange applikasjoner som involverer en kort lengde av den utformede linjen.

Ideelt sett kreves en fiber med samme båndbredde som enkeltmodusfiber, men med samme diameter som multimodusfiber for å muliggjøre rimelige LED-sendere. Til en viss grad oppfylles disse kravene av multimodusfiber med en gradientendring i brytningsindeks ((fig. 2) c)). Den ligner multimode trinnindeksfiberen diskutert ovenfor, men brytningsindeksen til kjernen er ikke ensartet - den varierer jevnt fra en maksimal verdi i midten til lavere verdier i periferien. Dette fører til to konsekvenser. For det første beveger lyset seg langs en svakt buet bane, og for det andre, og enda viktigere, er forskjellene i forplantningsforsinkelse mellom forskjellige moduser minimale. Dette skyldes det faktum at høye moduser kommer inn i fiberen under b ó større vinkler og å reise en lengre avstand begynner faktisk å forplante seg ved høyere hastigheter når de beveger seg bort fra sentrum og inn i området der brytningsindeksen avtar, og beveger seg generelt raskere enn de lavere ordensmodusene som forblir nær aksen i fibrene, i områder med høy brytningsindeks. Økningen i hastighet kompenserer bare for den lengre tilbakelagte distansen.

Multimode graderte indeksfibre er ikke ideelle, men de har fortsatt veldig god båndbredde. Derfor, i de fleste korte og mellomlange linjer, er valget av denne typen fiber å foretrekke. I praksis betyr dette at båndbredde kun sjelden er en parameter som må tas i betraktning.

Dette er imidlertid ikke tilfellet for demping. Det optiske signalet dempes i alle fibre, med en hastighet avhengig av bølgelengden til senderens lyskilde (fig. 3). Som nevnt tidligere er det tre bølgelengder der optisk fiberdempning typisk er minimal - 850, 1310 og 1550 nm. Disse er kjent som gjennomsiktighetsvinduer. For multimodussystemer er 850 nm-vinduet det første og mest brukte (laveste kostnad). Ved denne bølgelengden har gradert multimodusfiber av god kvalitet en dempning på ca. 3 dB/km, noe som gjør det mulig å implementere TV-kommunikasjon med lukket krets over avstander over 3 km.

Fig.3 Avhengighet av dempning på bølgelengde

Ved en bølgelengde på 1310 nm viser den samme fiberen en enda lavere dempning på 0,7 dB/km, og lar dermed kommunikasjonsrekkevidden økes proporsjonalt til omtrent 12 km. 1310 nm er også det første driftsvinduet for single-mode fiberoptiske systemer, med en dempning på ca 0,5 dB/km, som i kombinasjon med laserdiodesendere gir mulighet for kommunikasjonslinjer på over 50 km. Det andre gjennomsiktighetsvinduet - 1550 nm - brukes til å lage enda lengre kommunikasjonslinjer (fiberdempning mindre enn 0,2 dB/km).

2 Klassifisering av FOC

Fiberoptisk kabel har eksistert i lang tid, og støtter til og med tidlige Ethernet-standarder for 10 Mbps gjennomstrømning. Den første av dem ble kalt FOIRL (Fiber-Optic Inter-Repeater Link), og den påfølgende ble kalt 10BaseF.

I dag er det flere dusin selskaper i verden som produserer optiske kabler til ulike formål. Den mest kjente av dem: AT&T, General Cable Company (USA); Siecor (Tyskland); BICC-kabel (Storbritannia); Les cables de Lion (Frankrike); Nokia (Finland); NTT, Sumitomo (Japan), Pirelli (Italia).

De avgjørende parametrene ved produksjon av fiberoptiske kabler er driftsforhold og kommunikasjonslinjekapasitet. I henhold til driftsforhold er kabler delt inn i to hovedgrupper (fig. 4)

Interne er beregnet for installasjon inne i bygninger og konstruksjoner. De er kompakte, lette og har som regel en kort totallengde.

Stamlinjer er designet for å legge kabelkommunikasjon i brønner, i bakken, på støtter langs kraftledninger og under vann. Disse kablene er beskyttet mot ytre påvirkninger og har en konstruksjonslengde på mer enn to kilometer.

For å sikre høy gjennomstrømning av kommunikasjonslinjer produseres fiberoptiske kabler som inneholder et lite antall (opptil 8) enkeltmodusfibre med lav demping, og kabler for distribusjonsnettverk kan inneholde opptil 144 fibre, både enkeltmodus og multimodus, avhengig av på avstandene mellom nettverkssegmenter.

Fig.4 Klassifisering av FOC

3 Fordeler og ulemper med fiberoptisk signaloverføring

3.1 Fordeler med fiberoptiske kommunikasjonslinjer

For mange bruksområder er fiberoptikk å foretrekke på grunn av en rekke fordeler.

Lavt overføringstap. Fiberoptiske kabler med lavt tap lar deg overføre bildesignaler over lange avstander uten bruk av routingforsterkere eller repeatere. Dette er spesielt nyttig for langdistanseoverføringsordninger - for eksempel motorvei- eller jernbaneovervåkingssystemer, der repeaterfrie strekninger på 20 km ikke er uvanlige.

Bredbåndssignaloverføring. Den brede overføringsbåndbredden til optisk fiber gjør at video, lyd og digitale data av høy kvalitet kan overføres samtidig over en enkelt fiberoptisk kabel.

Immunitet mot forstyrrelser og forstyrrelser. Den fiberoptiske kabelens fullstendige ufølsomhet for ekstern elektrisk støy og forstyrrelser sikrer stabil drift av systemene selv i tilfeller hvor installatørene ikke tok tilstrekkelig hensyn til plasseringen av nærliggende strømnett osv.

Elektrisk isolasjon. Fraværet av elektrisk ledningsevne for fiberoptisk kabel gjør at problemer knyttet til endringer i jordpotensiale, som de som finnes i kraftverk eller jernbane, elimineres. Den samme egenskapen eliminerer risikoen for utstyrsskade forårsaket av strømstøt fra lyn, etc.

Lette og kompakte kabler. Den ekstremt lille størrelsen på optiske fibre og fiberoptiske kabler lar deg blåse nytt liv i overfylte kabelkanaler. For eksempel tar én koaksialkabel opp samme mengde plass som 24 optiske kabler, som hver visstnok kan bære 64 videokanaler og 128 lyd- eller videosignaler samtidig.

Tidløs kommunikasjonslinje. Ved ganske enkelt å bytte ut terminalutstyret i stedet for selve kablene, kan fiberoptiske nettverk oppgraderes til å bære mer informasjon. På den annen side kan deler av eller til og med hele nettverket brukes til en helt annen oppgave, for eksempel å kombinere et lokalnettverk og et lukket TV-system i en kabel.

Eksplosjon og brannsikkerhet. På grunn av fraværet av gnister, øker optisk fiber nettverkssikkerheten ved kjemiske og oljeraffinerier, når de betjener høyrisikoteknologiske prosesser.

Kostnadseffektivitet for fiberoptiske kommunikasjonslinjer. Fiberen er laget av kvarts, som er basert på silisiumdioksid, et utbredt og derfor rimelig materiale, i motsetning til kobber.

Lang levetid. Over tid opplever fiberen nedbrytning. Dette betyr at dempningen i den installerte kabelen gradvis øker. Men takket være perfeksjonen til moderne teknologier for produksjon av optiske fibre, er denne prosessen betydelig bremset, og levetiden til FOC er omtrent 25 år. I løpet av denne tiden kan flere generasjoner/standarder for transceiversystemer endres.

3.2 Ulemper med fiberoptiske linjer

Høy kompleksitet ved installasjon. Høyt kvalifisert personell og spesialverktøy. Derfor selges oftest fiberoptisk kabel i form av ferdigkuttede stykker av forskjellige lengder, i begge ender av hvilke den nødvendige typen kontakter allerede er installert. Bruk av fiberoptisk kabel krever spesielle optiske mottakere og sendere som konverterer lyssignaler til elektriske signaler og omvendt.

Fiberoptisk kabel er mindre slitesterk og fleksibel enn elektrisk kabel. Den typiske tillatte bøyeradiusen er ca. 10 - 20 cm, med mindre bøyeradius kan den sentrale fiberen knekke.

Fiberoptisk kabel er følsom for ioniserende stråling, noe som reduserer gjennomsiktigheten til glassfiberen, det vil si øker signaldemping.

3. Elektroniske komponenter av fiberoptiske linjer. Prinsippet for informasjonsoverføring

I den mest generelle formen kan prinsippet for informasjonsoverføring i fiberoptiske kommunikasjonssystemer forklares ved hjelp av (fig. 5).

Fig.5 Prinsipp for informasjonsoverføring i fiberoptiske kommunikasjonssystemer

1 Sendere for fiberoptikk

Den viktigste komponenten i en fiberoptisk sender er lyskilden (vanligvis en halvlederlaser eller LED (Figur 6)). Begge tjener samme formål - å generere en mikroskopisk lysstråle som kan injiseres inn i fiberen med høy effektivitet og moduleres (endret i intensitet) med høy frekvens. Lasere gir b ó høyere stråleintensitet enn LED og tillater en høyere modulasjonsfrekvens; derfor brukes de ofte til langdistanse bredbåndslinjer, for eksempel telekommunikasjon eller kabel-TV. På den annen side er LED billigere og mer holdbare enheter, og egner seg også ganske godt til de fleste små eller mellomstore systemer.

Fig. 6 Metoder for å introdusere optisk stråling i optisk fiber

I tillegg til dens funksjonelle formål (dvs. hvilket signal den skal overføre), er en fiberoptisk sender preget av to viktigere parametere som bestemmer dens egenskaper. Den ene er dens optiske utgangseffekt (intensitet). Den andre er bølgelengden (eller fargen) til lyset som sendes ut. Vanligvis er dette 850, 1310 eller 1550 nm, verdier valgt fra betingelsen for å matche den såkalte. åpenhetsvinduer i overføringsegenskapene til det optiske fibermaterialet.

3.2 Mottakere for fiberoptikk

Fiberoptikkmottakere utfører den viktige oppgaven med å oppdage ekstremt svak optisk stråling som sendes ut fra enden av en fiber og forsterke det resulterende elektriske signalet til det nødvendige nivået med minimal forvrengning og støy. Minimumsnivået av stråling som kreves av en mottaker for å gi akseptabel utgangssignalkvalitet kalles følsomhet; Forskjellen mellom mottakerens følsomhet og senderens utgangseffekt bestemmer det maksimalt tillatte systemtapet i dB. For de fleste lukkede TV-overvåkingssystemer med LED-sender er det typiske tallet 10-15 dB. Ideelt sett bør mottakeren fungere normalt når inngangssignalet varierer mye, siden det vanligvis er umulig å forutsi på forhånd nøyaktig hva graden av dempning i kommunikasjonslinjen vil være (dvs. linjelengde, antall knutepunkter, etc.). Mange enkle mottakerdesign bruker manuelle forsterkningsjusteringer under systeminstallasjonen for å oppnå ønsket utgangsnivå. Dette er uønsket fordi endringer i linjedempning er uunngåelige på grunn av aldring eller temperaturendringer, etc., noe som tilsier behovet for å periodisk justere forsterkningen. Alle fiberoptiske mottakere bruker automatisk forsterkningskontroll, som overvåker gjennomsnittsnivået til det optiske inngangssignalet og endrer mottakerforsterkningen tilsvarende. Ingen manuell justering er nødvendig verken under installasjon eller under drift.

optisk fiber kommunikasjonskabel

4. Bruksområder for fiberoptiske kommunikasjonslinjer

Fiberoptiske kommunikasjonslinjer (FOCL) lar deg overføre analoge og digitale signaler over lange avstander. De brukes også over mindre, mer håndterbare avstander, for eksempel inne i bygninger. Antallet Internett-brukere vokser – og vi bygger raskt nye databehandlingssentre (DPCer), for sammenkoblingen som brukes optisk fiber. Faktisk, når du sender signaler med en hastighet på 10 Gbit/s, ligner kostnadene på "kobber"-linjer, men optikken bruker betydelig mindre energi. I mange år har forkjempere for fiber og kobber kjempet mot hverandre om prioritet i bedriftsnettverk. Bortkastet tid!

Faktisk øker antallet applikasjoner for optikk, hovedsakelig på grunn av de ovennevnte fordelene fremfor kobber. Fiberoptisk utstyr er mye brukt i medisinske institusjoner, for eksempel for å bytte lokale videosignaler i operasjonsstuer. Optiske signaler har ingenting med elektrisitet å gjøre, noe som er ideelt for pasientsikkerheten.

Fiberoptiske teknologier foretrekkes også av militæret, siden de overførte dataene er vanskelige eller til og med umulige å lese fra utsiden. Fiberoptiske linjer gir en høy grad av beskyttelse av konfidensiell informasjon og tillater overføring av ukomprimerte data som høyoppløselig grafikk og video med pikselnøyaktighet. Optikk har trengt inn i alle nøkkelområder – overvåkingssystemer, kontrollrom og situasjonssentraler i områder med ekstreme driftsforhold.

Å redusere kostnadene for utstyr har gjort det mulig å bruke optiske teknologier i tradisjonelt kobberområder - i store industribedrifter for organisering av automatiserte prosesskontrollsystemer (APCS), i energisektoren, i sikkerhets- og videoovervåkingssystemer. Evnen til å overføre en stor informasjonsflyt over lange avstander gjør optikk ideell og etterspurt i nesten alle områder av industrien, hvor lengden på kabellinjer kan nå flere kilometer. Hvis avstanden for en tvunnet parkabel er begrenset til 450 meter, er ikke 30 km grensen for optikk.

Som et eksempel på bruk av fiberoptiske kommunikasjonslinjer, vil jeg gi en beskrivelse av et lukket sløyfe sikkerhetssystem for videoovervåking ved et typisk kraftverk. Dette emnet har blitt spesielt relevant og etterspurt nylig, etter at regjeringen i Den russiske føderasjonen vedtok en resolusjon om bekjempelse av terrorisme og en liste over viktige gjenstander som skal beskyttes.

5. Fiberoptiske TV-overvåkingssystemer

Systemutviklingsprosessen inkluderer vanligvis to komponenter:

Valg av passende aktive overføringsbanekomponenter basert på nødvendig funksjon (eller funksjoner), type og antall fibre tilgjengelig eller tilbudt, og maksimal overføringsrekkevidde.

Fiberoptisk kabel passiv infrastrukturdesign, inkludert ryggradskabeltyper og spesifikasjoner, koblingsbokser, fiberpatchpaneler.

1Komponenter i videoovervåkingsstien

Først av alt - hvilke komponenter kreves faktisk for å oppfylle systemspesifikasjonene?

Faste kamerasystemer - Disse systemene er ekstremt enkle og består typisk av en miniatyr fiberoptisk sender og enten en modulær eller stativmontert mottaker. Senderen er ofte liten nok til å monteres direkte i kamerahuset, og er utstyrt med koaksial bajonettkontakt, optisk kontakt ST og terminaler for å koble til en lavspent strømkilde (vanligvis 12 VDC eller AC). Overvåkingssystemet til et typisk kraftverk består av flere dusin av disse kameraene, signalene fra disse sendes til den sentrale kontrollstasjonen, og i dette tilfellet er mottakerne rackmontert på et standard 19-tommers 3U-kort med en felles strøm forsyning.

Systemer basert på kontrollerte kameraer med PTZ-enheter - slike systemer er mer komplekse, siden det kreves en ekstra kanal for å overføre kamerakontrollsignaler. Generelt sett er det to typer fjernkontrollsystemer for slike kameraer - de som krever enveis overføring av fjernkontrollsignaler (fra sentralstasjonen til kameraene) og de som krever toveis overføring. Toveis overføringssystemer blir stadig mer populære fordi de lar hvert kamera bekrefte mottak av hvert kontrollsignal, og gir derfor større nøyaktighet og pålitelighet av kontroll. Innenfor hver av disse gruppene er det et bredt spekter av grensesnittkrav, inkludert RS232, RS422 og RS485. Andre systemer bruker ikke et digitalt grensesnitt, men overfører data som en serie lydsignaler over en analog kanal, lik dual-tone signaler i telefoni.

Fig.6 Overføring av fjernkontrollsignaler for en roterende enhet over en fiber

Alle disse systemene kan også fungere med fiberoptiske kabler ved bruk av riktig utstyr. Under normale omstendigheter er samtidig overføring av optiske signaler i motsatte retninger på samme fiber uønsket, da krysstale vil oppstå på grunn av spredt refleksjon i fiberen. I TV-systemer med lukket krets skaper denne effekten støy i bildet når kamerakontrollene er aktivert.

For å oppnå toveis overføring over en enkelt fiber uten å forårsake gjensidig interferens, er det nødvendig at senderne i forskjellige ender av fiberen opererer ved forskjellige bølgelengder, for eksempel henholdsvis 850 nm og 1300 nm (fig. 6). En bølgelengdedelingsmultiplekser (WDM) kobler er koblet til hver ende av fiberen, som sikrer at hver mottaker mottar kun den nødvendige bølgelengden av lys (for eksempel 850 nm) fra senderen i motsatt ende av fiberen. Uønskede refleksjoner fra nær-ende-senderen havner i feil rekkevidde (dvs. 1300 nm) og avskjæres tilsvarende.

Ytterligere funksjoner - selv om valget av et fast kamera eller et kamera på en PTZ-enhet tilfredsstiller kravene til de fleste TV-overvåkingssystemer med lukket krets, er det en rekke systemer som krever ytterligere funksjoner, for eksempel overføring av lydinformasjon - for generell varsling, hjelpemeldinger til forbrukeren eller intercomkommunikasjon med en ekstern post . På den annen side kan en del av et integrert sikkerhetssystem inkludere sensorkontakter som utløses i tilfelle brann eller fremmede personer. Alle disse signalene kan overføres over optisk fiber - enten den samme som brukes av nettverket, eller en annen.

2Videomultipleksing

Opptil 64 video- og opptil 128 lyd- eller digitale datasignaler kan multiplekses på en enkelt enkeltmodusfiber, eller et litt mindre antall på multimodus. I denne sammenheng refererer multipleksing til samtidig overføring av fullskjermvideosignaler i sanntid, snarere enn visningen med liten eller delt skjerm som begrepet oftere refereres til.

Evnen til å overføre flere signaler og tilleggsinformasjon over flere optiske fibre er svært verdifull, spesielt for langdistanse-TV-overvåkingssystemer med lukket krets som motorveier eller jernbaner, hvor det ofte er avgjørende å minimere antall fiberoptiske kabler. For andre applikasjoner, med kortere avstander og vidt spredte kameraer, er ikke fordelene like klare, og her bør man først vurdere bruken av en egen fiberlink for hvert videosignal. Valget om å multiplekse eller ikke er ganske komplisert og bør bare tas etter å ha vurdert alle aspekter, inkludert systemtopologi, totale kostnader og sist men ikke minst nettverksfeiltoleranse.

3Kabelnettverksinfrastruktur

Når overføringsveikravene er bestemt, utvikles den fiberoptiske kabelnettverksinfrastrukturen, som inkluderer ikke bare selve kablene, men også alle hjelpekomponentene - koblingsbokser, kabelforlengelsespaneler, bypass-kabler.

Den første oppgaven er å bekrefte riktigheten av valget av antall og type optiske fibre bestemt på stadiet for valg av banekomponenter. Hvis systemet ikke er veldig langt (dvs. ikke lenger enn ca. 10 km) og ikke involverer multipleks overføring av videosignaler, vil mest sannsynlig det optimale valget være 50/125 μm eller 62,5/125 μm gradert indeksfiber. Tradisjonelt er 50/125 µm fiber valgt for TV-systemer med lukket krets, og 62,5/125 µm for lokale nettverk. I alle fall er hver av dem egnet for hver av disse oppgavene, og generelt brukes 62,5/125 mikron fiber i de fleste land til begge formål.

Antall fibre som kreves kan bestemmes basert på antall og relative plassering av kameraer og om ensrettet eller toveis fjernkontroll eller multipleksing brukes. Fordi rørene. Kabler beregnet for montering i utvendige kanaler er vanligvis vanntett med enten aluminiumstape (tørre hule rør) eller vannavvisende fyllmasse (gelfylte kabler). Brannsikkerhetskabel.

Mange kortslutnings-TV-systemer har en stjernekonfigurasjon, der en enkelt kabelseksjon legges fra hvert kamera til kontrollstasjonen. For slike systemer vil det optimale kabeldesignet inneholde to fibre - henholdsvis for overføring av videosignaler og fjernkontroll. Denne konfigurasjonen gir 100 % kabelkapasitet siden om nødvendig kan både video- og fjernkontrollsignaler overføres over samme fiber. Mer omfattende nettverk kan ha nytte av å bruke omvendt tretopologi (omvendt gren- og tretopologi) (fig. 7). I slike nettverk fører en to-kjerners fiberoptisk kabel fra hvert kamera til en lokal "hub" hvor de kobles til en enkelt flerkjernekabel. Selve konsentratoren er ikke mye mer komplisert enn en konvensjonell allværskoblingsboks og kan ofte kombineres med utstyrshuset til et av kameraene.

Kostnadsøkningen ved å legge fiberoptiske linjer til en eksisterende kabel er ubetydelig, spesielt sammenlignet med kostnadene ved tilhørende offentlige arbeider, bør muligheten for å installere kabler med ekstra kapasitet vurderes seriøst.

Grøftede fiberoptiske kabler kan inneholde ståltrådsarmering. Ideelt sett bør alle kabler være konstruert av flammehemmende materialer med lavt røykutslipp for å tilfredsstille lokale forskrifter, beregnet for installasjon i eksterne kabelkanaler eller direkte i grøfter, vanligvis av en hulrørsdesign som inneholder fra 2 til 24 fibre i en eller flere

Fig.7 Tretopologi til et fiberoptisk nettverk

Ved kontrollstasjonen kommer den fiberoptiske inngangskabelen vanligvis inn i en grensesnittenhet montert i et 19" rack, hvor hver fiber har sin egen individuelle ST -kobling. For endelig grensesnitt med mottakeren brukes korte adapterkabler med økt stivhet med tilhørende kabler. ST - koblinger i hver ende. Ingen spesiell ferdighet kreves for å utføre alt installasjonsarbeid, annet enn en rimelig forståelse av behovet for forsiktig håndtering av optisk fiber (for eksempel ikke bøy fiberen til en radius mindre enn 10 fiberdiametre) og kravene til generell hygiene ( dvs. renslighet).

4Optisk tapsbudsjett

Det kan virke rart at beregninger av optisk tapsbudsjett skjer så sent i designprosessen, men faktisk er nøyaktige beregninger først mulig når kabelnettverksinfrastrukturen er fullstendig definert. Hensikten med beregningen er å bestemme tapene for den verste signalveien (vanligvis den lengste) og sikre at utstyret som velges for overføringsveien passer innenfor de oppnådde grensene med en rimelig margin.

Beregningen er ganske enkel og består av vanlig summering av tap i desibel for alle komponenter i banen, inkludert dempning i kabelen (dB/km x lengde i km) pluss både koblinger og tap ved skjøtene. Den største vanskeligheten er ganske enkelt å trekke ut de nødvendige tapstallene fra produsentens dokumentasjon.

Avhengig av oppnådd resultat, kan det være nødvendig å revurdere utstyret som er valgt for overføringsveien for å sikre akseptable tap. Det kan for eksempel være nødvendig å bestille utstyr med forbedrede optiske parametere, og dersom dette ikke er tilgjengelig bør du vurdere å bytte til et transparensvindu med lengre bølgelengde, hvor tapene er lavere.

5Systemtesting og igangkjøring

De fleste installatører av fiberoptiske nettverk gir optiske testresultater for det fiberoptiske nettverket som tas i bruk. Som et minimum bør de inkludere ende-til-ende optiske effektmålinger for hver fiberlink - dette tilsvarer en integritetstest for et konvensjonelt kobbernettverk med elektriske multipleksere. Disse resultatene presenteres som linjetapsverdier i dB og kan sammenlignes direkte med spesifikasjonene for utstyret som er valgt for overføringsveien. Det anses generelt som normalt å ha en minimal tapsmargin (lovede utstyrsparametere minus målt verdi) på 3 dB for de uunngåelige aldringsprosessene som skjer i fiberoptiske linjer, spesielt i sendere.

Konklusjon

Eksperter har ofte den oppfatning at fiberoptiske løsninger er mye dyrere enn kobberløsninger. I den siste delen av arbeidet mitt vil jeg gjerne oppsummere det som ble sagt tidligere og prøve å finne ut om dette er sant eller ikke, ved å sammenligne de optiske løsningene til 3M Volution-selskapet med et standard skjermet system i 6. kategori, som har de nærmeste egenskapene til multimodusoptikk

Den estimerte kostnaden for et typisk system inkluderte prisen på en 24-porters patchpanelport (per abonnent), abonnent- og patchledninger, abonnentmodul, samt kostnaden for en horisontal kabel per 100 meter (se tabell 1).

Tabell 1 Beregning av kostnaden for en SCS-abonnentport for kategori 6 kobber og optikk

Denne enkle beregningen viste at kostnaden for en fiberoptisk løsning bare er 35 % mer enn en kategori 6 tvunnet parløsning, så ryktene om de enorme kostnadene for optikk er noe overdrevet. Dessuten er kostnadene for de viktigste optiske komponentene i dag sammenlignbare eller til og med lavere enn for skjermede systemer i sjette kategori, men dessverre er ferdige optiske patching- og abonnentledninger fortsatt flere ganger dyrere enn kobber-motstykkene. Men hvis lengden på abonnentkanaler i det horisontale delsystemet av en eller annen grunn overstiger 100 m, er det rett og slett ikke noe alternativ til optikk.

Samtidig gjør den lave dempningsverdien til optisk fiber og dens immunitet mot ulike elektromagnetiske forstyrrelser den til en ideell løsning for dagens og fremtidige kabelsystemer.

Strukturerte kablingssystemer, som bruker fiberoptikk for både trunk- og horisontalkabling, gir forbrukerne en rekke betydelige fordeler: en mer fleksibel design, et mindre bygningsfotavtrykk, større sikkerhet og bedre håndterbarhet.

Bruk av optisk fiber på arbeidsplasser vil gjøre det mulig i fremtiden å bytte til nye nettverksprotokoller, som Gigabit og 10 Gigabit Ethernet, til minimale kostnader. Dette er mulig takket være en rekke nyere fremskritt innen fiberoptiske teknologier: multimodusfiber med forbedret optisk ytelse og båndbredde; optiske kontakter med liten formfaktor som krever mindre fotavtrykk og installasjonskostnader; Planare laserdioder med vertikalt hulrom muliggjør langdistansedataoverføring til lave kostnader.


En optisk fiber består av en sentral lysleder (kjerne) - en glassfiber, omgitt av et annet lag med glass - en kledning, som har lavere brytningsindeks enn kjernen. Mens de sprer seg gjennom kjernen, går ikke lysstrålene utover grensene, og reflekterer fra det dekkende laget av skallet. I optisk fiber genereres lysstrålen vanligvis av en halvleder- eller diodelaser. Avhengig av fordelingen av brytningsindeksen og diameteren til kjernen, er optisk fiber delt inn i enkeltmodus og multimodus.

Marked for fiberoptiske produkter i Russland

Historie

Selv om fiberoptikk er et mye brukt og populært kommunikasjonsmiddel, er selve teknologien enkel og utviklet for lenge siden. Eksperimentet med å endre retningen til en lysstråle ved brytning ble demonstrert av Daniel Colladon og Jacques Babinet tilbake i 1840. Noen år senere brukte John Tyndall dette eksperimentet i sine offentlige forelesninger i London, og allerede i 1870 publiserte han et verk om lysets natur. Den praktiske anvendelsen av teknologien ble funnet først i det tjuende århundre. På 1920-tallet demonstrerte eksperimentørene Clarence Hasnell og John Berd muligheten for å overføre bilder gjennom optiske rør. Dette prinsippet ble brukt av Heinrich Lamm for medisinsk undersøkelse av pasienter. Det var ikke før i 1952 at den indiske fysikeren Narinder Singh Kapany gjennomførte en serie av sine egne eksperimenter som førte til oppfinnelsen av optisk fiber. Faktisk skapte han den samme bunten med glasstråder, og skallet og kjernen var laget av fibre med forskjellige brytningsindekser. Skallet fungerte faktisk som et speil, og kjernen var mer gjennomsiktig - dette løste problemet med rask spredning. Hvis strålen tidligere ikke nådde enden av det optiske glødetråden, og det var umulig å bruke et slikt overføringsmiddel over lange avstander, er problemet nå løst. Narinder Kapani forbedret teknologien innen 1956. En haug med fleksible glassstenger overførte bildet nesten uten tap eller forvrengning.

Oppfinnelsen av optisk fiber av Corning-spesialister i 1970, som gjorde det mulig å duplisere telefonsignaldataoverføringssystemet over en kobbertråd over samme avstand uten repeatere, anses å være et vendepunkt i historien til utviklingen av fiber. optiske teknologier. Utviklerne klarte å lage en leder som er i stand til å opprettholde minst én prosent av den optiske signaleffekten i en avstand på én kilometer. Etter dagens standarder er dette en ganske beskjeden prestasjon, men den gang, for nesten 40 år siden, var det en nødvendig betingelse for å utvikle en ny type kablet kommunikasjon.

Opprinnelig var optisk fiber flerfaset, det vil si at den kunne overføre hundrevis av lysfaser samtidig. Dessuten gjorde den økte diameteren til fiberkjernen det mulig å bruke rimelige optiske sendere og kontakter. Mye senere begynte de å bruke fiber med høyere ytelse, der det var mulig å overføre bare én fase i det optiske miljøet. Med introduksjonen av enfasefiber kunne signalintegriteten opprettholdes over større avstander, noe som letter overføringen av betydelige mengder informasjon.

Den mest populære fiberen i dag er enfasefiber med null bølgelengdeforskyvning. Siden 1983 har det vært bransjens ledende fiberoptiske produkt, bevist å operere over titalls millioner kilometer.

Fordeler med fiberoptisk kommunikasjon

  • Optiske bredbåndssignaler på grunn av ekstremt høy bærefrekvens. Dette betyr at informasjon kan overføres over en fiberoptisk linje med en hastighet på ca. 1 Tbit/s;
  • Svært lav demping av lyssignalet i fiberen, som gjør det mulig å bygge fiberoptiske kommunikasjonslinjer på opptil 100 km eller mer i lengde uten signalregenerering;
  • Motstand mot elektromagnetisk interferens fra omgivende kobberkablingssystemer, elektrisk utstyr (kraftledninger, elektriske motorer, etc.) og værforhold;
  • Beskyttelse mot uautorisert tilgang. Informasjon som sendes over fiberoptiske kommunikasjonslinjer er praktisk talt umulig å avskjære på en ikke-destruktiv måte;
  • Elektrisk sikkerhet. Å være en dielektrisk, optisk fiber øker eksplosjons- og brannsikkerheten til nettverket, noe som er spesielt viktig ved kjemiske og oljeraffinerier, når det betjenes høyrisikoteknologiske prosesser;
  • Holdbarhet for fiberoptiske kommunikasjonslinjer - levetiden til fiberoptiske kommunikasjonslinjer er minst 25 år.

Ulemper med fiberoptisk kommunikasjon

  • De relativt høye kostnadene for aktive linjeelementer som konverterer elektriske signaler til lys og lys til elektriske signaler;
  • Relativt høye kostnader for skjøting av optisk fiber. Dette krever presisjon, og derfor dyrt, teknologisk utstyr. Som et resultat, hvis en optisk kabel går i stykker, er kostnaden for å gjenopprette en fiberoptisk linje høyere enn når du arbeider med kobberkabler.

Fiberoptiske linjeelementer

  • Optisk mottaker

Optiske mottakere oppdager signaler som sendes langs en fiberoptisk kabel og konverterer dem til elektriske signaler, som deretter forsterker og deretter gjenoppretter formen, samt klokkesignaler. Avhengig av overføringshastigheten og systemspesifikasjonene til enheten, kan datastrømmen konverteres fra seriell til parallell.

  • Optisk sender

Den optiske senderen i et fiberoptisk system konverterer den elektriske datasekvensen levert av systemkomponentene til en optisk datastrøm. Senderen består av en parallell-seriell omformer med en klokkesynthesizer (som avhenger av systeminstallasjon og bithastighet), en driver og en optisk signalkilde. Ulike optiske kilder kan brukes til optiske overføringssystemer. For eksempel brukes lysemitterende dioder ofte i rimelige lokale nettverk for kortdistansekommunikasjon. Den brede spektrale båndbredden og manglende evne til å arbeide i bølgelengdene til det andre og tredje optiske vinduet tillater imidlertid ikke bruk av lysdioder i telekommunikasjonssystemer.

  • Forforsterker

Forsterkeren konverterer den asymmetriske strømmen fra fotodiodesensoren til en asymmetrisk spenning, som forsterkes og omdannes til et differensialsignal.

  • Datasynkronisering og gjenopprettingsbrikke

Denne brikken må gjenopprette klokkesignalene fra den mottatte datastrømmen og deres klokkefunksjon. De faselåste sløyfekretsene som kreves for klokkegjenoppretting er også fullt integrert i klokkebrikken og krever ikke eksterne kontrollklokkepulser.

  • Seriell til parallell kode konverteringsblokk
  • Parallell-til-seriell omformer
  • Laserformer

Hovedoppgaven er å levere forspenningsstrøm og modulerende strøm for å direkte modulere laserdioden.

  • Optisk kabel, bestående av optiske fibre plassert under en felles beskyttende kappe.

Singlemode fiber

Hvis fiberdiameteren og bølgelengden er liten nok, vil en enkelt stråle forplante seg gjennom fiberen. Generelt sett snakker selve det faktum å velge kjernediameter for enkeltmodus-signalutbredelsesmodus om det spesielle ved hvert enkelt fiberdesignalternativ. Det vil si at enkeltmodus refererer til egenskapene til fiberen i forhold til den spesifikke frekvensen til bølgen som brukes. Utbredelsen av bare en stråle lar deg bli kvitt intermode-spredning, og derfor er enkeltmodusfibre størrelsesordener mer produktive. For tiden brukes en kjerne med en ytre diameter på ca. 8 mikron. Som med multimodusfibre, brukes både trinn- ogter.

Det andre alternativet er mer produktivt. Enkeltmodusteknologi er tynnere, dyrere og brukes i dag innen telekommunikasjon. Optisk fiber brukes i fiberoptiske kommunikasjonslinjer, som er overlegne elektronisk kommunikasjon ved at de tillater tapsfri, høyhastighetsoverføring av digitale data over store avstander. Fiberoptiske linjer kan enten danne et nytt nettverk eller tjene til å kombinere eksisterende nettverk - deler av optiske fibermotorveier, koblet fysisk på lysledernivå, eller logisk på nivå med dataoverføringsprotokoller. Dataoverføringshastigheter over fiberoptiske linjer kan måles i hundrevis av gigabit per sekund. Standarden er allerede under ferdigstillelse for å tillate dataoverføring med en hastighet på 100 Gbit/s, og 10 Gbit Ethernet-standarden har vært brukt i moderne telekommunikasjonsstrukturer i flere år.

Multimodus fiber

I en multimodus optisk fiber kan et stort antall moduser - stråler introdusert i fiberen i forskjellige vinkler - forplante seg samtidig. Multimode OF har en relativt stor kjernediameter (standardverdier 50 og 62,5 μm) og følgelig en stor numerisk blenderåpning. Den større kjernediameteren til multimodusfiber forenkler koblingen av optisk stråling inn i fiberen, og de mer avslappede toleransekravene for multimodusfiber reduserer kostnadene for optiske transceivere. Dermed dominerer multimodusfiber i lokal- og hjemmenettverk med kort rekkevidde.

Den største ulempen med multimode optisk fiber er tilstedeværelsen av intermode dispersjon, som oppstår på grunn av det faktum at forskjellige moduser følger forskjellige optiske baner i fiberen. For å redusere påvirkningen av dette fenomenet ble det utviklet en multimodusfiber med en gradert brytningsindeks, på grunn av hvilken modusene i fiberen forplanter seg langs parabolske baner, og forskjellen i deres optiske baner, og følgelig den intermodale spredningen, er betydelig mindre. Uansett hvor balansert gradient multimodusfibre er, kan deres gjennomstrømning ikke sammenlignes med enkeltmodusteknologier.

Fiberoptiske transceivere

For å overføre data over optiske kanaler, må signalene konverteres fra elektrisk til optisk, sendes over en kommunikasjonsforbindelse og deretter konverteres tilbake til elektrisk ved mottakeren. Disse transformasjonene skjer i transceiverenheten, som inneholder elektroniske komponenter sammen med optiske komponenter.

Mye brukt i overføringsteknologi, lar tidsdelingsmultiplekseren overføringshastigheten økes til 10 Gb/s. Moderne høyhastighets fiberoptiske systemer tilbyr følgende overføringshastighetsstandarder.

SONET standardSDH standardOverføringshastighet
OC 1 - 51,84 Mb/sek
OC 3STM 1155,52 Mb/s
OC 12STM 4622,08 Mb/sek
OC 48STM 162,4883 Gb/sek
OC 192STM 649,9533 Gb/sek

Nye metoder for multipleksing av bølgelengdedeling eller bølgelengdedelingsmultipleksing gjør det mulig å øke dataoverføringstettheten. For å oppnå dette sendes flere multipleksede strømmer av informasjon over en enkelt fiberoptisk kanal ved å bruke hver strøms overføring ved en annen bølgelengde. De elektroniske komponentene i WDM-mottakeren og -senderen er forskjellige fra de som brukes i et tidsdelingssystem.

Anvendelse av fiberoptiske kommunikasjonslinjer

Optisk fiber brukes aktivt til å bygge by-, regionale og føderale kommunikasjonsnettverk, samt for å installere forbindelseslinjer mellom byens automatiske telefonsentraler. Dette skyldes hastigheten, påliteligheten og høye kapasiteten til fibernett. Også, gjennom bruk av fiberoptiske kanaler, er det kabel-TV, ekstern videoovervåking, videokonferanser og videosendinger, telemetri og andre informasjonssystemer. I fremtiden er det planlagt å bruke konvertering av talesignaler til optiske signaler i fiberoptiske nettverk.

Fiberoptiske kommunikasjonslinjer er en type kommunikasjon der informasjon overføres langs optiske dielektriske bølgeledere, kjent som optisk fiber. Optisk fiber regnes for tiden som det mest avanserte fysiske mediet for overføring av informasjon,

samt det mest lovende mediet for å overføre store strømmer av informasjon over lange avstander. Grunnene til å tenke det kommer fra en rekke funksjoner som er iboende i optiske bølgeledere.

Kabelstruktur:

  1. Aksialelement:
    – ståltau (tråd, tråd) i et polymerbelegg;
    – glassfiberstang med eller uten polymerbelegg
  2. Optiske fibre
  3. Optiske moduler
  4. Intramodulært hydrofobt fyllstoff
  5. Kjerne vanntetting
  6. Mellomskall
    – polyetylen (ikke i IKBL...)
  7. Vanntetting av panserlaget
    – hydrofobe fyllstoff eller vannblokkerende elementer
  8. Panser laget av runde galvaniserte ståltråder
  9. Beskyttende skall
    – polyetylen eller flammehemmende polymer (IKBN...)

1.1 Fysiske egenskaper.
1. Bredbåndsoptiske signaler på grunn av den ekstremt høye bærefrekvensen (Fo=10**14 Hz). Dette betyr at informasjon kan overføres via en optisk kommunikasjonslinje med en hastighet på ca. 10**12 bit/s eller Terabit/s. Med andre ord kan én fiber bære 10 millioner telefonsamtaler og en million videosignaler samtidig. Dataoverføringshastigheten kan økes ved å overføre informasjon i to retninger samtidig, siden lysbølger kan forplante seg uavhengig av hverandre i en fiber. I tillegg kan lyssignaler med to forskjellige polarisasjoner forplante seg i en optisk fiber, noe som gjør det mulig å doble gjennomstrømningen til en optisk kommunikasjonskanal. Til dags dato er grensen for tettheten av overført informasjon via optisk fiber ikke nådd.

2. Svært lav (sammenlignet med andre medier) demping av lyssignalet i fiberen. De beste eksemplene på russisk fiber har en dempning på 0,22 dB/km ved en bølgelengde på 1,55 mikron, noe som tillater konstruksjon av kommunikasjonslinjer på opptil 100 km uten signalregenerering. Til sammenligning har Sumitomos beste fiber på 1,55 µm en dempning på 0,154 dB/km. I optiske laboratorier i USA utvikles det enda mer «transparente» såkalte fluorozirkonatfibre med en teoretisk grense på ca. 0,02 dB/km ved en bølgelengde på 2,5 mikron. Laboratoriestudier har vist at basert på slike fibre kan kommunikasjonslinjer opprettes med regenereringssteder over 4600 km med en overføringshastighet på ca. 1 Gbit/s.
1.2 Tekniske egenskaper.
1. Fiberen er laget av kvarts, som er basert på silisiumdioksid, et utbredt og derfor billig materiale, i motsetning til kobber.

2. Optiske fibre har en diameter på ca. 100 mikron, det vil si at de er svært kompakte og lette, noe som gjør dem lovende for bruk innen luftfart, instrumentproduksjon og kabelteknologi.

3. Glassfibre er ikke metall, under konstruksjon av kommunikasjonssystemer oppnås automatisk galvanisk isolasjon av segmenter. Ved å bruke spesielt slitesterk plast produserer kabelfabrikker selvbærende luftkabler som ikke inneholder metall og derfor er elektrisk sikre. Slike kabler kan monteres på mastene til eksisterende kraftledninger, enten separat eller integrert i en faseleder, og sparer betydelige kostnader ved å legge kabler over elver og andre hindringer.

4. Kommunikasjonssystemer basert på optiske fibre er motstandsdyktige mot elektromagnetisk interferens, og informasjon som overføres via optiske fibre er beskyttet mot uautorisert tilgang. Fiberoptiske kommunikasjonslinjer kan ikke avlyttes på en ikke-destruktiv måte. Eventuelle påvirkninger på fiberen kan registreres ved å overvåke (kontinuerlig overvåking) av linjens integritet. Teoretisk sett er det måter å omgå beskyttelsen gjennom overvåking, men kostnadene ved å implementere disse metodene vil være så høye at de vil overstige kostnadene for den avlyttede informasjonen.

Det er en måte å i det skjulte overføre informasjon via optiske kommunikasjonslinjer. Under skjult overføring moduleres signalet fra strålingskilden ikke i amplitude, som i konvensjonelle systemer, men i fase. Signalet blir så blandet med seg selv, forsinket noe lenger enn koherenstiden til strålingskilden.

Med denne overføringsmetoden kan ikke informasjon fanges opp av en amplitudestrålingsmottaker, siden den kun vil registrere et signal med konstant intensitet.

For å oppdage det avlyttede signalet, trenger du et innstillbart Michelson-interferometer av en spesiell design. Dessuten kan synligheten til interferensmønsteret svekkes som 1:2N, hvor N er antall signaler som sendes samtidig gjennom det optiske kommunikasjonssystemet. Det er mulig å fordele den overførte informasjonen over flere signaler eller sende flere støysignaler, og dermed forverre betingelsene for å avskjære informasjon. Betydelig kraftuttak fra fiberen vil være nødvendig for å tukle med det optiske signalet, og denne tuklingen vil lett kunne oppdages av overvåkingssystemer.

5.En viktig egenskap ved optisk fiber er holdbarhet. Levetiden til fiberen, det vil si dens bevaring av egenskapene innenfor visse grenser, overstiger 25 år, noe som gjør det mulig å legge en fiberoptisk kabel én gang og om nødvendig øke kanalkapasiteten ved å erstatte mottakere og sendere med raskere seg.

Fiberteknologi har også sine ulemper:

1. Når du oppretter en kommunikasjonslinje, kreves det svært pålitelige aktive elementer som konverterer elektriske signaler til lys og lys til elektriske signaler. Optiske kontakter (kontakter) med lave optiske tap og en stor ressurs for til- og frakobling er også nødvendig. Produksjonsnøyaktigheten til slike kommunikasjonslinjeelementer må samsvare med bølgelengden til strålingen, det vil si at feilene må være i størrelsesorden en brøkdel av en mikron. Derfor er produksjonen av slike optiske kommusvært kostbare.

2. En annen ulempe er at installasjon av optiske fibre krever presisjon, og derfor dyrt, teknologisk utstyr.

3. Som et resultat, ved feil på optisk kabel (brudd), er restaureringskostnadene høyere enn ved arbeid med kobberkabler.

Fordelene ved å bruke fiberoptiske kommunikasjonslinjer (FOCL) er så betydelige at til tross for de listede ulempene med optisk fiber, blir disse kommunikasjonslinjene i økende grad brukt til å overføre informasjon.

Fordeler med fiberoptiske kommunikasjonslinjer

Å overføre informasjon via fiberoptiske linjer har en rekke fordeler fremfor overføring via kobberkabel. Den raske implementeringen av Vols i informasjonsnettverk er en konsekvens av fordelene som oppstår fra egenskapene til signalutbredelse i optisk fiber.

Bred båndbredde- på grunn av den ekstremt høye bærefrekvensen på 1014Hz. Dette gjør det mulig å overføre informasjonsstrømmer på flere terabit per sekund over én optisk fiber. Høy båndbredde er en av de viktigste fordelene med optisk fiber fremfor kobber eller et annet informasjonsoverføringsmedium.

Lav demping av lyssignalet i fiberen. Industriell optisk fiber som for tiden produseres av innenlandske og utenlandske produsenter har en dempning på 0,2-0,3 dB ved en bølgelengde på 1,55 mikron per kilometer. Lav demping og lav spredning gjør det mulig å bygge strekninger av ledninger uten relé med en lengde på opptil 100 km eller mer.

Støysvak fiberoptisk kabel lar deg øke båndbredden ved å overføre ulike modulasjoner av signaler med lav koderedundans.

Høy støyimmunitet. Fordi fiberen er laget av et dielektrisk materiale, er den immun mot elektromagnetisk interferens fra omkringliggende kobberkablingssystemer og elektrisk utstyr som kan indusere elektromagnetisk stråling (kraftledninger, elektriske motorer, etc.). Multifiberkabler unngår også det elektromagnetiske krysstaleproblemet forbundet med flerpars kobberkabler.

Lav vekt og volum. Fiberoptiske kabler (FOC) har mindre vekt og volum sammenlignet med kobberkabler for samme båndbredde. For eksempel kan en 900-pars telefonkabel med en diameter på 7,5 cm erstattes av en enkelt fiber med en diameter på 0,1 cm. Hvis fiberen er "kledd" i mange beskyttende hylster og dekket med ståltapepanser, vil diameteren på en slik fiberoptisk kabel vil være 1,5 cm, som er flere ganger mindre enn den aktuelle telefonkabelen.

Høy sikkerhet mot uautorisert tilgang. Siden FOC praktisk talt ikke sender ut i radiorekkevidden, er det vanskelig å overhøre informasjonen som sendes over den uten å forstyrre mottaket og overføringen. Systemer for overvåking (kontinuerlig overvåking) av integriteten til en optisk kommunikasjonslinje, ved å bruke fiberens høysensitivitetsegenskaper, kan øyeblikkelig slå av den "hackede" kommunikasjonskanalen og avgi en alarm. Sensorsystemer som bruker interferenseffekter av forplantede lyssignaler (både gjennom ulike fibre og ulike polarisasjoner) har svært høy følsomhet for vibrasjoner og små trykkforskjeller. Slike systemer er spesielt nødvendige når man oppretter kommunikasjonslinjer i myndigheter, bank og enkelte andre spesialtjenester som har økte krav til databeskyttelse.

Galvanisk isolasjon av nettverkselementer. Denne fordelen med optisk fiber ligger i dens isolerende egenskap. Fiber bidrar til å unngå elektriske jordsløyfer som kan oppstå når to ikke-isolerte nettverksenheter koblet sammen med kobberkabel har jordforbindelser på forskjellige steder i bygningen, for eksempel i forskjellige etasjer. Dette kan resultere i en stor potensiell forskjell, som kan skade nettverksutstyr. For fiber eksisterer dette problemet rett og slett ikke.

Eksplosjon og brannsikkerhet. På grunn av fraværet av gnister, øker optisk fiber nettverkssikkerheten ved kjemiske og oljeraffinerier, når de betjener høyrisikoteknologiske prosesser.

Kostnadseffektivitet av FOC. Fiberen er laget av kvarts, som er basert på silisiumdioksid, et utbredt og derfor rimelig materiale, i motsetning til kobber. For tiden er kostnaden for fiber i forhold til et kobberpar 2:5. Samtidig lar FOC deg overføre signaler over mye lengre avstander uten videresending. Antall repeatere på langlinjer reduseres ved bruk av FOC. Ved bruk av soliton-overføringssystemer har man oppnådd rekkevidder på 4000 km uten regenerering (det vil si kun ved bruk av optiske forsterkere ved mellomnoder) ved overføringshastigheter over 10 Gbit/s.

Lang levetid. Over tid opplever fiberen nedbrytning. Dette betyr at dempningen i den installerte kabelen gradvis øker. Men takket være perfeksjonen til moderne teknologier for produksjon av optiske fibre, er denne prosessen betydelig bremset, og levetiden til FOC er omtrent 25 år. I løpet av denne tiden kan flere generasjoner/standarder for transceiversystemer endres.

Ekstern strømforsyning. I noen tilfeller kreves ekstern strømforsyning til en informasjonsnettverksnode. Optisk fiber er ikke i stand til å utføre funksjonene til en strømkabel. Men i disse tilfellene kan en blandet kabel brukes når kabelen sammen med optiske fibre er utstyrt med et kobberledende element. Denne kabelen er mye brukt både i Russland og i utlandet.

Fiberoptiske linjer kalles linjer designet for å overføre informasjon i det optiske området. I følge det sovjetiske informasjonsbyrået var veksthastigheten for bruk av fiberoptiske linjer på slutten av 80-tallet 40%. Fagforeningseksperter antok at noen land helt ville forlate kobberkjerner. Kongressen vedtok en økning på 25 % i volumet av kommunikasjonslinjer for den 12. femårsplanen. Den trettende, også designet for å utvikle fiberoptikk, så Sovjetunionens kollaps, og de første mobiloperatørene dukket opp. Forresten sviktet ekspertenes prognose angående det økende behovet for kvalifisert personell...

Driftsprinsipp

Hva er årsakene til den kraftige økningen i popularitet til høyfrekvente signaler? Moderne lærebøker nevner å redusere behovet for signalregenerering, kostnader og øke kanalkapasiteten. Sovjetiske ingeniører fant ut, resonnement annerledes: kobberkabler, rustninger, skjermer står for 50% av verdens kobberproduksjon, 25% av bly. Et utilstrekkelig kjent faktum ble hovedårsaken til at Nikola Teslas sponsorer av Wardenclyffe Tower-prosjektet ble forlatt (navnet ble gitt av etternavnet til filantropen som donerte landet). En berømt serbisk forsker ønsket å overføre informasjon og energi trådløst, og skremte mange lokale eiere av kobbersmelteverk. 80 år senere har bildet endret seg dramatisk: folk innså behovet for å redde ikke-jernholdige metaller.

Materialet som brukes til å lage fiberen er... glass. Et vanlig silikat, smaksatt med en god del egenskapsmodifiserende polymerer. Sovjetiske lærebøker, i tillegg til de angitte årsakene til populariteten til den nye teknologien, heter:

  1. Lav signaldemping, noe som førte til en reduksjon i behovet for regenerering.
  2. Ingen gnistdannelse, derfor brannsikkerhet, null eksplosjonsfare.
  3. Ingen kortslutning, reduserte vedlikeholdskrav.
  4. Ufølsom for elektromagnetisk interferens.
  5. Lav vekt, relativt små dimensjoner.

I utgangspunktet skulle fiberoptiske linjer koble sammen store motorveier: mellom byer, forsteder og automatiske telefonsentraler. USSR-eksperter kalte kabelrevolusjonen beslektet med fremkomsten av solid-state elektronikk. Utviklingen av teknologi har gjort det mulig å bygge nettverk som er fri for lekkasjestrømmer og krysstale. En seksjon som er hundrevis av kilometer lang er blottet for aktive signalregenereringsmetoder. Lengden på en enkeltmoduskabel er vanligvis 12 km, og lengden på en multimoduskabel er 4 km. Den siste milen er ofte belagt med kobber. Leverandører er vant til å dedikere endepunkter til individuelle brukere. Det er ingen høye hastigheter, sender/mottakerne er billige, muligheten til å levere strøm til enheten samtidig, og brukervennlighet av lineære moduser.

Sender

Typiske stråledannere er halvleder-LED, inkludert solid-state lasere. Spektralbredden til signalet som sendes ut av et typisk pn-kryss er 30-60 nm. Effektiviteten til de første solid-state enhetene nådde knapt 1%. Grunnlaget for tilkoblede lysdioder er ofte indium-gallium-arsen-fosfor-strukturen. Ved å sende ut ved en lavere frekvens (1,3 µm), gir enhetene betydelig spektrumspredning. Den resulterende spredningen begrenser bithastigheten (10-100 Mbps). Derfor er lysdioder egnet for å bygge lokale nettverksressurser (avstand 2-3 km).

Frekvensdeling med multipleksing utføres av flerfrekvensdioder. I dag blir ufullkomne halvlederstrukturer aktivt erstattet av vertikalemitterende lasere, som forbedrer spektrale egenskaper betydelig. økende hastighet. Prisen er den samme. Stimulert utslippsteknologi gir mye høyere effekter (hundrevis av mW). Koherent stråling gir en effektivitet av enkeltmoduslinjer på 50 %. Effekten av kromatisk dispersjon reduseres, noe som gir mulighet for høyere bithastigheter.

Den korte laderekombinasjonstiden gjør det enkelt å modulere strålingen med høye frekvenser av forsyningsstrømmen. I tillegg til vertikale bruker de:

  1. Lasere med tilbakemelding.
  2. Fabry-Perot resonatorer.

Høye bithastigheter for oppnås ved å bruke eksterne modulatorer: elektroabsorpsjon, Mach-Zehnder-interferometre. Eksterne systemer eliminerer behovet for lineær frekvensmodulering av forsyningsspenningen. Kuttespekteret til det diskrete signalet overføres videre. I tillegg har andre bærerkodingsteknikker blitt utviklet:

  • Kvadratur faseskift-tasting.
  • Ortogonal frekvensdelingsmultipleksing.
  • Amplitude kvadraturmodulasjon.

Prosedyren utføres av digitale signalprosessorer. Gamle metoder kompenserte kun for den lineære komponenten. Berenger uttrykte modulatoren med Wien-serien, DAC og forsterker modellert med avkortet, tidsuavhengig Volterra-serie. Khana foreslår å bruke en polynomsendermodell i tillegg. Hver gang blir koeffisientene til serien funnet ved hjelp av en indirekte læringsarkitektur. Dutel spilte inn mange vanlige varianter. Fasekorrelasjon og kvadraturfelt simulerer ufullkommenhet i synkroniseringssystemer. Ikke-lineære effekter kompenseres på samme måte.

Mottakere

Fotodetektoren utfører omvendt konvertering mellom lys og elektrisitet. Brorparten av solid-state-mottakere bruker indium-gallium-arsen-strukturen. Noen ganger er det pin-fotodioder, skred. Metall-halvleder-metallstrukturer er ideelle for å bygge inn regeneratorer og kortbølgemultipleksere. Optoelektriske omformere er ofte supplert med transimpedansforsterkere og limitere som produserer et digitalt signal. Deretter øver de på klokkegjenoppretting med faselåst sløyfe.

Overføring av lys med glass: historie

Fenomenet refraksjon, som gjør troposfærisk kommunikasjon mulig, mislikes av elevene. Komplekse formler og uinteressante eksempler dreper en elevs kjærlighet til kunnskap. Ideen om en lysguide ble født tilbake på 1840-tallet: Daniel Colladon og Jacques Babinet (Paris) prøvde å pynte sine egne forelesninger med fristende, visuelle eksperimenter. Lærere i middelalderens Europa ble dårlig betalt, så en stor tilstrømning av studenter som kom med penger virket som et velkomment perspektiv. Foreleserne lokket publikum på alle måter. En viss John Tyndall utnyttet ideen 12 år senere, og ga mye senere ut en bok (1870) som undersøkte optikkens lover:

  • Lys passerer luft-vann-grensesnittet, og brytning av strålen i forhold til perpendikulæren observeres. Hvis kontaktvinkelen til strålen med den ortogonale linjen overstiger 48 grader, slutter fotoner å forlate væsken. Energien reflekteres fullstendig tilbake. La oss kalle grensen for mediets begrensende vinkel. Vann er 48 grader 27 minutter, silikatglass er 38 grader 41 minutter, diamant er 23 grader 42 minutter.

Fødselen av 1800-tallet brakte den lette telegraflinjen St. Petersburg - Warszawa med en lengde på 1200 km. Regenerering av meldingsoperatører ble utført hver 40. km. Meldingen fortsatte i flere timer, vær og sikt forstyrret. Fremkomsten av radiokommunikasjon erstattet de gamle teknikkene. De første optiske linjene dateres tilbake til slutten av 1800-tallet. Legene likte det nye produktet! Bøyd glassfiber gjorde det mulig å belyse ethvert hulrom i menneskekroppen. Historikere tilbyr følgende tidslinje for utvikling av hendelser:


Ideen til Henry Saint-Rene ble videreført av nybyggerne i den nye verden (1920-tallet), som bestemte seg for å forbedre TV. Clarence Hansell, John Logie Baird ble pionerer. Ti år senere (1930) beviste medisinstudent Heinrich Lamm muligheten for å overføre bilder ved hjelp av glassguider. Kunnskapssøkeren bestemte seg for å undersøke innsiden av kroppen. Bildekvaliteten var dårlig, og et forsøk på å få britisk patent mislyktes.

Fødselen av fiber

Uavhengig oppfant den nederlandske forskeren Abraham van Heel, briten Harold Hopkins, Narinder Singh Kapani fiber (1954). Fordelen med den første var ideen om å dekke den sentrale kjernen med et gjennomsiktig skall som hadde lav brytningsindeks (nær luft). Beskyttelse mot overflateriper forbedret overføringskvaliteten betydelig (oppfinnernes samtidige så hovedhindringen for å bruke fiberlinjer ved store tap). Britene ga også et seriøst bidrag, og samlet en bunt med fibre som nummererte 10 000 stykker, og sendte et bilde i en avstand på 75 cm. Notatet "Flexible fiberscope using static scanning" prydet tidsskriftet Nature (1954).

Dette er interessant! Narinder Singh Kapani laget begrepet glassfiber i en artikkel i American Science (1960).

1956 brakte verden et nytt fleksibelt gastroskop, forfattere Basil Hirschowitz, Wilbur Peters, Lawrence Curtiss (University of Michigan). Et spesielt trekk ved det nye produktet var glassskallet til fibrene. Elias Snitzer (1961) introduserte ideen om single-mode fiber. Så tynn at bare en flekk av interferensmønsteret passer inn. Ideen hjalp leger med å undersøke innsiden til en (levende) person. Tapet var 1 dB/m. Kommunikasjonsbehovet utvidet seg mye lenger. Det var nødvendig å nå en terskel på 10-20 dB/km.

1964 regnes som et vendepunkt: Dr. Kao publiserte en viktig spesifikasjon, som introduserte det teoretiske grunnlaget for langdistansekommunikasjon. Dokumentet gjorde utstrakt bruk av figuren ovenfor. Forskeren har bevist at høyt renset glass vil bidra til å redusere tap. Tysk fysiker (1965) Manfred Börner (Telefunken Research Labs, Ulm) presenterte den første operative telekommunikasjonslinjen. NASA sendte umiddelbart ned månebilder ved å bruke nye produkter (utviklingen var hemmelig). Noen år senere (1970) inngav tre ansatte i Corning Glass (se begynnelsen av emnet) et patent som implementerte en teknologisk syklus for smelting av silisiumoksid. Byrået brukte tre år på å evaluere teksten. Den nye kjernen økte kanalens kapasitet med 65 000 ganger i forhold til kobberkabel. Dr. Kaos team forsøkte umiddelbart å tilbakelegge en betydelig avstand.

Dette er interessant! 45 år senere (2009) ble Kao tildelt Nobelprisen i fysikk.

Militære datamaskiner (1975) fra det amerikanske luftforsvaret (NORAD-seksjonen, Cheyenne Mountains) fikk ny kommunikasjon. Det optiske Internett dukket opp for lenge siden, før personlige datamaskiner! To år senere gjennomførte en telefonlinjetest på 1,5 mil i en forstad i Chicago med suksess 672 talekanaler. Glassblåsere jobbet utrettelig: tidlig på 1980-tallet kom fiber med en demping på 4 dB/km. Silisiumoksid ble erstattet av en annen halvleder - germanium.

Produksjonshastigheten av kabel av høy kvalitet ved produksjonslinjen var 2 m/s. Chemie Thomas Mensah utviklet en teknologi som økte den angitte grensen tjue ganger. Det nye produktet har endelig blitt billigere enn kobberkabel. Det som følger er skissert ovenfor: en økning i innføringen av ny teknologi fulgte. Avstanden mellom repeatere var 70-150 km. En fiberforsterker dopet med Erbium-ioner har dramatisk redusert kostnadene for å bygge linjer. Tidene for den trettende femårsplanen brakte planeten 25 millioner kilometer med fiberoptiske nettverk.

En ny drivkraft til utvikling ble gitt ved oppfinnelsen av fotoniske krystaller. År 2000 brakte de første kommersielle modellene. Periodisiteten til strukturene tillot en betydelig økning i kraft, fiberdesignet ble fleksibelt justert for å følge frekvensen. I 2012 oppnådde Nippon Telegraph and Telephone Company hastigheter på 1 petabit/s over en rekkevidde på 50 km med en enkelt fiber.

Militær industri

Historien om marsjen til den amerikanske militærindustrien, publisert i Monmouth Message, er pålitelig kjent. I 1958 rapporterte kabelsjefen ved Fort Monmouth (Signal Corps Labs of the United States Army) om farene ved lyn og nedbør. Den offisielle forstyrret forskeren Sam Di Vita, og ba ham finne en erstatning for det grønne kobberet. Svaret inneholdt et forslag om å prøve glass, fiber og lyssignaler. Onkel Sams ingeniører på den tiden var imidlertid maktesløse til å løse problemet.

I varme september 1959 spurte Di Vita andrerangs løytnant Richard Sturzebecher om han kjente formelen for glass som er i stand til å overføre et optisk signal. Svaret inneholdt informasjon om silisiumoksid, en prøve ved Alfred University. Å måle brytningsindeksen til materialer med et mikroskop ga Richard hodepine. 60-70 % glasspulver lot strålende lys passere fritt og irriterte øynene. Med behovet for det reneste glasset i tankene, studerte Sturzebecher moderne produksjonsteknikker ved bruk av silisiumklorid IV. Di Vita fant materialet passende, og bestemte seg for å overlate regjeringen til forhandlinger med Corning glassblåsere.

Tjenestemannen kjente arbeiderne godt, men bestemte seg for å offentliggjøre saken slik at anlegget skulle få en statlig kontrakt. Mellom 1961 og 1962 ble ideen om å bruke rent silisiumoksid overført til forskningslaboratorier. Føderale bevilgninger utgjorde rundt 1 million dollar (mellom 1963 og 1970). Programmet ble avsluttet (1985) med utviklingen av en industri med flere milliarder dollar for produksjon av fiberoptiske kabler, som raskt begynte å erstatte kobberkabler. Di Vita fortsatte å jobbe, konsulent for industrien, levde til 97 år (dødsår - 2010).

Typer kabler

Kabelen er dannet:

  1. Kjerne.
  2. Shell.
  3. Beskyttende deksel.

Fiberen realiserer total refleksjon av signalet. Materialet til de to første komponentene er tradisjonelt glass. Noen ganger finner de en billig erstatning - polymer. Optiske kabler kombineres ved fusjon. Å justere kjernen vil kreve ferdigheter. Multimoduskabler med en tykkelse på over 50 mikron er lettere å lodde. De to globale variantene er forskjellige i antall moduser:

  • Multimode er utstyrt med en tykk kjerne (over 50 mikron).
  • Enkeltmodus er mye tynnere (mindre enn 10 mikron).

Paradoks: en mindre kabel gir langdistansekommunikasjon. Kostnaden for et firekjerners transatlantisk hav er 300 millioner dollar. Kjernen er belagt med en lysbestandig polymer. The New Scientist magazine (2013) publiserte eksperimentene til en vitenskapelig gruppe fra University of Southampton, som dekket en rekkevidde på 310 meter... med en bølgeleder! Det passive dielektriske elementet viste en hastighet på 77,3 Tbit/s. Veggene i det hule røret er dannet av en fotonisk krystall. Informasjonsstrømmen beveget seg med en hastighet på 99,7 % av lyset.

Fotonisk krystallfiber

En ny type kabel er dannet av et sett med rør, konfigurasjonen ligner en avrundet honningkake. Fotoniske krystaller ligner naturlig perlemor, og danner periodiske konformasjoner som er forskjellige i brytningsindeks. Noen bølgelengder er dempet inne i slike rør. Kabelen demonstrerer passbåndet, strålen som gjennomgår Bragg-brytning reflekteres. På grunn av tilstedeværelsen av forbudte soner, beveger det koherente signalet seg langs lyslederen.

Det første designet av Ye og Yariv (1978) består av to eller flere konsentriske lag av forskjellige materialer. Designene oppdateres kontinuerlig med ferske arter. Russell (1996, forfatter av begrepet fotonisk krystallfiber) introduserte et cellulært sett med fibre; to år senere antok de å erstatte kjernen med et tomrom. Dempningen som er oppnådd er imponerende:

  1. Hul – 1,2 dB/km.
  2. Solid – 0,37 dB/km.

Produksjonsteknologien ligner tradisjonell. Det relativt tykke arbeidsstykket trekkes gradvis ut. Håret blir kilometer langt. Materialene går gjennom forskningsstadiet.

Frekvenser

Overføringshastighet og rekkevidde er begrenset av spredningseffekter og demping. Forskere har funnet bølgelengder som minimerer ulempene. Det er opprettet flere vinduer som brukes av telekommunikasjon:

  1. O – 1260..1360 nm.
  2. E – 1360..1460 nm.
  3. S – 1460..1530 nm.
  4. C – 1530...1565 nm.
  5. L – 1565..1625 nm.
  6. U – 1625..1675 nm.

Vinduene er sammenhengende, eksisterende kommunikasjonssystemer kan bestå av to eller tre samtidig. Historisk sett er det første gapet (800-900 nm) nå fjernet fordi tapene viste seg å være uoverkommelige høye. Windows O, E er preget av null spredning. S, C brukes oftere, noe som viser fordelene med minimal dempning (maksimalt overføringsområde).