ВОЛС-Федоров / ВОЛС _Юдин, 2005_

них и заканчивается временным растяжением импульсов. Уширение информационных импульсов во времени в каждом компоненте линии связи приводит к ограничению полосы пропускания данного компонента, к снижению скорости передачи сквозь него потока информации. Например, для линии связи, структура которой представлена на рис. 4.21, общее время нарастания составляет

tВОЛС = tПРД2 +tВВОД2 +tВОЛ2 1 +tСОЕД2 +tВОЛ2 2 +tВЫВОД2 +tПРМ2 . (4.15)

Время нарастания измеряется на переднем фронте импульса и представляет собой интервал времени в течение которого импульс возрастает от уровня 0.1 до уровня 0.9 (за единицу принимается максимальное мгновенное значение импульса). Время спада – соответственно от уровня 0.9 до уровня 0.1 на заднем фронте импульса. Связь времени нарастания (времени отклика) импульса в i-ом компоненте ВОЛС с его полосой пропускания определяется выражением

tНАРi =0.35/∆fi ,

(4.16)

где tНАРi измеряется в секундах, ∆fi измеряется в Гц, тогда

tВОЛС2 =∑tНАР2	i ,	(4.17)
i
(∆fВОЛС)−2 =0.35∑(∆fi )−2.		(4.18)

i

Любой компонент ВОЛС, задерживающий прохождение информационных импульсов, снижает пропускную способность всей ВОЛС, независимо от места его расположения в линии. На практике при составлении временного (или скоростного) баланса вводится 10%-я поправка для учета старения компонентов ВОЛС, так что

tВОЛС2	=1.1 ∑tНАР2	i.	(4.18)
	i

100

5. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ

5.1. Топология ВОЛС

Варианты применения волоконных линий связи в настоящее время настолько разнообразны, что их затруднительно даже перечислить. Тем не менее, очень кратко и неполно, это: миниатюрные (по площади) локальные сети, размещенные на территории офисов, банков, больниц, учебных заведений, объектов вроде корабля, танка, самолета, космической станции; телефонные сети, начиная с мелких районных и заканчивая сетями крупнейших мегаполисов; магистральные линии связи, соединяющие города, страны, континенты. В каждом из перечисленных примеров используется своя топология ВОЛС. И все же в основу разных топологий кладутся некоторые типы их, хорошо зарекомендовавшие себя за 30 лет эксплуатации ВОЛС. К таким известным сетевым топологиям относятся следующие типы: звезда (рис. 5.1,а), кольцо (рис. 5.1,б), шина (рис. 5.1,в), комбинированные или смешанные (рис. 5.1,г,д).

На рис. 5.1 черными кружками обозначены узлы коммутации, белыми кружками – терминалы, стрелками – направления движения потока информации. Совместимость различных сетей, взаимодействие различных звеньев внутри сети обеспе-

a	б	в
в		г
	Рис. 5.1
	101

чивается международными стандартами. Международная Ор-

ганизация Стандартов (ISO – Open Standards Interconnect) в 1978 году разработала рекомендации, требующие, чтобы архитектура коммуникационной сети строилась по семиуровневой схеме взаимодействия (рис. 5.2).

	Устройство, рабо-		Уровни	Функции уровня
	тающее через сеть		модели ISO
		7	Приложения	Пересылка файлов, эмуляция
				терминала, электронная почта
		6 Представление		Форматирование данных и пре-
				образование кодов символов
		5	Сеанс	Общение и установка подклю-
				чения с другим узлом
	Шлюз	4	Транспортный	Обеспечение поставки из точку
				в точку
	Маршрутизатор	3	Сетевой	Маршрутизация данных через
				несколько сетей
	Мост	2	Связи данных	Разделение информациинаблоки,
				их пересылка, контроль ошибок
	Повторитель	1	Физический	Передача необработанных дан-
				ных по каналам связи

Рис. 5.2

Указанные слева на рис. 5.2 устройства выполняют следующие функции. Повторитель регенерирует передаваемые сигналы и посылает их в нужном направлении. Анализ сигналов он не осуществляет. Мост соединяет различные сети, работающие по одному протоколу. Маршрутизатор действует на сетевом уровне, он способен воспринимать разные протоколы. Шлюз соединяет локальную сеть с более мощной информационной системой.

Первый уровень (физический) модели ISO является наиболее существенным, так как включает оптические кабели, пассивные компоненты, передатчики, приемники, характеристики сигналов. Весьма распространенным физическим уровнем является стандарт RS-232, на котором основаны последовательные (com) порты персонального компьютера. Второй уровень ISO отвечает за правильную передачу данных по воло-

конным линиям, за объединение символов в пакеты, за управление и получение сообщений по волокну. На этом уровне обеспечивается правильная очередность передачи пакетов (блоков) данных.

Третий уровень обеспечивает правильную адресацию потоков информации в линии и направление их по маршрутам. На этом уровне происходит обмен сообщений между узлами. Четвертый (транспортный) уровень определяет конкретный путь передачи данных по схеме "точка – точка", определяет связь между узлами вне зависимости от места их расположения в сети.

Пятый уровень управляет системно-зависимыми аспектами коммуникации между сетевыми узлами. На шестом уровне данные подвергаются таким действиям, чтобы стать видимыми для пользователя путем отображения на экране монитора или распечатки на принтере. Этот уровень форматирует данные и конвертирует символы. Например, распространен-

ный в компьютере код ASC II (American Standard Code for Information Interchange) преобразует шестой уровень в код

EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Information Code), кото-

рый используется в оборудовании IBM.

Седьмой уровень венчает модель ISO, так как он предоставляет услуги пользователю. При связи двух станций семиуровневая модель работает по схеме, представленной на рис. 5.3. Например, именнотакпересылается электронное письмоотодного абонента к другому.

станция I		станция II	Многоуровневое уст-
			ройство ВОЛС выбрано не
7…		7…	случайно, оноимеетследу-
6…		6…	ющие преимущества. Бла-
5…		5…	годаря стандарту в таких
4…		4…	ВОЛС может применяться
3…		3…	оборудование любого про-
2…		2…	изводителя. Кроме того, ес-
1…		1…	ли при расширении сетей
	Рис. 5.3		сами ВОЛС встраиваются

102

103

Рис. 5.4

в ранее построенные сети, использующие коаксиальные кабели и даже витые пары, то это затрагивает только самый нижний, физический уровень, используя более высокие

уровни, как полностью готовые, не требующие никаких технических переделок.

В локальных сетях в настоящее время наиболее часто применяются два вида стандар-

тов: IEEE 802.3 Ethernet и IEEE 802.5 Token Ring. Оба разрабо-

таны институтом инженеров по электричеству и электронике

(Institute of Electrical and Electronic Engineers). Они допускают встраивание в них оптических кабелей, хотя и изначально предназначались для сетей с коаксиальным кабелем. Первой полностью оптической локальной сетью является FDDI (Fiber Distributed Interface). По сравнению с предыдущими стандартами новая сеть имеет на порядок выше скорость передачи информации (100 Мбит/с) и в сотни раз более протяженные линии соединения (до 100 км). FDDI-сети используют топологию в виде двух колец с противоположными направлениями передачи информации (рис. 5.4).

Топология двойного кольца заметно повышает надежность сети. При выходе из строя любого кольца второе берет на себя его функции (рис. 5.5,а). Если оба кольца повреждаются, сеть сохраняет работоспособность за счет того, что одно кольцо используется на прием информации, а второе – на ее передачу (рис. 5.5,б).

5.2. Аналоговые и цифровые ВОЛС

Современные ВОЛС являются в подавляющем числе примеров цифровыми системами связи. Это вовсе не означает, что аналоговые оптические линии передачи информации вытеснены совершенно. Аналоговые системы просты и удобны,

а	б
	Рис. 5.5

они легко сопрягаются с обычными линиями передачи электрических сигналов, которых в эксплуатации имеется еще большое количество, на разработку и создание которых были затрачены значительные средства и которые еще много лет будут исправно работать. Подключение аналоговых оптических линий в аналоговые электрические сети в техническом отношении является несложной и легко решаемой задачей. Зато в этом случае не нужны оптические аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи. Аналоговая связь требует значительно меньшей полосы пропускания, чем цифровая, если сравнение производить для одинакового объема передаваемой информации. Не случайно, что нередко заказчики ВОЛС настаивают на разработке ее в аналоговом варианте.

В то же время аналоговые системы оптической связи в сравнении с цифровыми не обладают, как последние, высокой помехоустойчивостью к внешним и внутренним помехам. В аналоговых системах невозможна регенерация передаваемых сигналов, а, следовательно, восстановление искаженных сигналов. Запись, хранение, обработка аналоговых сигналов заметно сложней цифровых; при появлении нелинейности в передаточных характеристиках компонентов приемного тракта возникают взаимные нелинейные искажения в каналах, появляются вторая и третья гармоники, амплитуды которых должны быть на 45…50 дБ меньше амплитуды колебания основной частоты. И, наконец, на выходе оптического аналогового приемника отношение сигнал/шум трудно получить большим. Например, даже в сравнении с электрической линией связи − коаксиаль-

104

105

ным медным трактом − аналоговая ВОЛС (при одинаковой протяженности и полосе пропускания) проигрывает по отношению сигнал/шум 4…5 порядков при использовании лазера в качестве источника излучения, и на 6…7 порядков, если вместо лазера используется СИД.

Цифровые ВОЛС – дорогие, сложные системы, требующие очень большой (в 10…20 раз шире, чем в аналоговых ВОЛС) частотной полосы. И все же, именно, цифровые ВОЛС господствуют в волоконно-оптических телекоммуникационных системах связи. Необходимая для них широкая полоса некритична при несущей частоте ~ 1014 Гц. Другие недостатки с лихвой покрываются их достоинствами.

6. ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВОЛС

На научно-техническом горизонте в области систем телекоммуникаций альтернативы волоконно-оптическим линиям связи нет, и, по-видимому, эта ситуация сохранится в течение еще нескольких десятков лет. Но цивилизация безостановочно развивается в направлении прогресса. Человечеству постоянно не хватает информации. Оценки показывают, что емкость во- локонно-оптических систем связи возрастает в четыре раза каждые 1.5 года. Только оптоволокно способно выдержать такой темп роста. Отнесенный к информации принцип "большедальше- лучшедешевле" стимулирует ученых к поиску новых технологий в сфере ВОЛС. В настоящее время наметились два перспективных направления построения сверхскоростных и сверхпротяженных линий связи. Одно из них связано с созданием солитонных ВОЛС, другое – с внедрением оптического мультиплексирования (упомянутые выше WDM и DWDM-технологии).

Первый путь использует в качестве физического базиса известный эффект самосжатия коротких оптических импульсов при распространении их в прозрачных средах, сочетающих квадратичную нелинейность с отрицательной дисперсией групповых скоростей. Нелинейное самовоздействие наблюдается в оптическом поле с очень большой плотностью потока мощнос-

ти, и, казалось бы, при милливатных мощностях излучения полупроводниковых лазеров и СИД говорить о таких плотностях не приходится. Однако в одномодовых световодах площадь поперечного сечения сердцевины очень мала, поэтому порог нелинейности достигается без труда. Введенный в такой световод оптический импульс пикосекундной длительности проходит через процесс самовоздействия, приобретая фазовую модуляцию. Взаимодействуя со средой сердцевины световода, обладающий дисперсией групповых скоростей, импульс сжимается до фемтосекундных длительностей. Для усиления эффекта импульс заставляют последовательно рассеиваться на двух эшелеттах. Если огибающей оптического импульса в плоскости распространения придать форму функции гиперболического секанса, импульс превращается в неразрушаемый оптический солитон. Солитон сохраняет свою форму при распространении по световоду и лишь уменьшает из-за потерь свою амплитуду. Ослабление оптических импульсов, как мы знаем, можно компенсировать, применяя EDFA-усилители, расставленные вдоль ВОЛС через подобранное расстояние. Сочетание солитонных импульсов и оптических усилителей позволяет создать солитонные ВОЛС, для которых характерны высокая скорость и очень большая дальность передачи информации.

Второй путь не использует таких "тонких" физических эффектов, как первый, но достигаемый результат оказывается впечатляющим. Речь идет об уплотнении каналов за счет разнесения их по рабочей длине волны (то, что в радиодиапазоне называется частотным разнесением каналов − ЧРК). В "окне" 1530...1565 нм (рабочая полоса EDFA-усилителей), применяя сетку частот с шагом между каналами 200/100/50 ГГц и возможностью его уменьшения до 25 ГГц, удается организовать большое число каналов. Стандартная сетка (при шаге 100 ГГц) задается соотношением (m – номер канала)

F =193.1±m 0.1 ТГц

(5.1)

В системах с повышенным уплотнением (DWDM) удается в полосе с 1530...1565 нм разместить 160 каналов со скоростью передачи в каждом 40 Гбит/с.

106

107

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На ближайшие десятилетия альтернативы волоконно-оп- тическим линиям среди закрытых (кабельных) сетей передачи информации не существует. Поэтому введение в учебный план подготовки радиоинженеров отдельной дисциплины «Воло- конно-оптические линии связи» совершенно необходимо. Пока данная дисциплина присутствует лишь в плане специализации «Системы и устройства сухопутной связи» и рекомендована базовым предприятием кафедры РЭУС Воронежским НИИ связи.

Настоящее учебное пособие написано в форме последовательного изложения принципов действия и характеристик тех устройств, которые проходит информационный сигнал, передаваемый по ВОЛС: оптический передатчик – оптический волновод – оптический приемник. Изложены физические процессы, протекающие в полупроводниковых лазерах и светоизлучающих диодах, способы аналоговой и импульсной модуляции оптического излучения. Достаточно подробно описывается распространение оптических волн в световодах. Использован как геометро-оптический, так и волновой подход к задаче. Повышенное внимание уделено объяснению причин затухания оптических волн в световодах и дисперсионного уширения оптических импульсов. В главе, посвященной оптическим приемникам, изложен материал, касающийся наиболее распространенных фотодетекторов, построенных на основе p-i-n- и лавинных фотодиодов: шумы оптических фотодиодов, принципы усиления и регенерации оптических сигналов, чувствительность оптических приемников, в том числе и ее квантовый предел.

Пособие заканчивается описанием типичных технологий ВОЛС, особенностей построения ВОЛС для передачи аналоговых и цифровых сигналов, а также основных современных тенденций совершенствования ВОЛС.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ПОСОБИИ

ASC II – American Standard Code for Information Interchange EBCDIC – Extended Binary Coded Decimal Information Code FDDI – Fiber Distributed Interface

ISO – Open Standards Interconnect

WDM – Wavelength Division Multiplexing SONET – Synchronous Optical Network

ВАХ – ватт-амперная характеристика ВКР – вынужденное комбинационное рассеяние ВОЛС – волоконно-оптическая линия связи ЛФД – лавинный фотодиод ОСС – оптическая система связи ППЛ – полупроводниковый лазер

РБО – распределенный брэгговский отражатель РОС – распределенная обратная связь СИД – светоизлучающий диод ЧМ – частотная модуляция

ЧРК – частотное разнесение каналов

108

109

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Справочник ВОЛС. Волоконные оптические линии связи / Под ред. С.В. Свечникова и Л.М. Андрушко. – Киев: "Тэхника", 1988. – 239 с.

2.Гауэр Дж. Оптические системы связи. – М: Радио и связь, 1989. – 501 с.

3.Стерлинг Дональд Дж. Волоконная оптика. Техническое руководство. – М: Изд-во "Лори", 1998. – 228 с.

4.Оптические системы передачи / Под ред. В.И. Иванова. – М: Радио и связь, 1994. – 224 с.

5.Волоконно-оптические системы передачи и кабели. Справочник. – М: Радио и связь, 1993. – 265 с.

6.Фриман Р. Мир связи. Волоконно-оптические системы связи. – М: Техносфера, 2003. – 447 с.

7.Взятышев В.Ф. Диэлектрические волноводы. – М:

Сов. радио, 1970. – 216 с.

8.Унгер Х.-Г. Планарные и волоконные оптические волноводы. – М: Мир, 1980. – 656 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ......................................................................................	3
1. Структурное построение ВОЛС............................................	7
2. Оптические передатчики ВОЛС............................................	8
2.1. Источники оптического излучения для ВОЛС........	8
2.2. Зонная структура полупроводниковых
лазерных материалов .......................................................	9
2.3. Светоизлучающие диоды и их параметры...............	17
2.4. Полупроводниковые лазеры......................................	19
2.4.1. Лазеры с двойным гетеропереходом.................	19
2.4.2. Многомодовые и одномодовые гетеролазеры. 23
2.4.3. Лазеры с распределенной обратной связью.....	27
2.4.4. Лазер с вертикальным оптическим
резонатором...................................................................	29
2.4.5. Параметры лазерных излучателей ....................	29
2.5. Модуляция полупроводниковых источников
оптического излучения .....................................................	34
2.6. Модулированные импульсные последователь
ности ...................................................................................	37
3. Оптические световоды и кабели............................................	41
3.1. Принцип действия оптического диэлектрического
волновода ...........................................................................	41
3.2. Важнейшие характеристики световода....................	42
3.2.1. Числовая апертура..............................................	42
3.2.2. Профиль показателя преломления....................	44
3.2.3. Дисперсия............................................................	47
3.2.4. Ширина полосы пропускания и скорость
передачи информации..................................................	53
3.2.5. Ослабление оптического излучения .................	54
3.2.6. Оптимальная длина волны для ВОЛС..............	57
3.3. Волновая теория световода .......................................	60
3.3.1. Электродинамическая постановка задачи........	60
3.3.2. Волновое уравнение и его решение..................	62
3.3.3. Типы направляемых волн ..................................	66
3.3.4. Вытекающие волны............................................	71

110

111

4. Оптические приемники ВОЛС............................................	72
4.1. Принцип детектирования оптических сигналов ...	72
4.2. Фотодиодные детекторы..........................................	73
4.3.1. p-i-n фотодиод...................................................	73
4.3.2. Лавинный фотодиод.........................................	76
4.3. Шумы фотоэлектронного преобразования............	77
4.3.1. Разновидности шумов......................................	77
4.3.2. Фоновая засветка..............................................	77
4.3.3. Дробовой шум...................................................	78
4.3.4. Тепловой шум...................................................	79
4.3.5. Шум лавинного размножения .........................	79
4.4. Характеристики фотодетекторов............................	80
4.5. Электрические усилители фототока.......................	83
4.6. Регенераторы и усилители оптических сигналов..	84
4.6.1. Оптические усилители.....................................	85
4.6.2. Регенерация цифровых оптических
сигналов.......................................................................	91
4.6.3. Ошибки регенерации........................................	92
4.6.4. Квантовый предел фотодетектирования ........	95
4.7. Балансные соотношения для ВОЛС.......................	98
5. Волоконно-оптические линии связи...................................	101
5.1. Топология ВОЛС......................................................	101
5.2. Аналоговые и цифровые ВОЛС..............................	104
6. Пути совершенствования ВОЛС.........................................	106
Заключение................................................................................	108
Список сокращений, используемых в пособии .....................	109
Библиографический список.....................................................	110

Учебное издание

Останков Александр Витальевич Пастернак Юрий Геннадьевич Юдин Владимир Иванович

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ

В авторской редакции

Компьютерный набор А.В. Останкова

Подписано в печать 28.09.2005.

Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 7,0. Уч.-изд. л. 3,2. Тираж 50 экз. С .

Заказ № .

Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский просп., 14

112