3. 2. Волоконно-оптические кабели
В качестве среды передачи в сетях наряду с электрическими кабелями широко используется волоконно-оптического кабель (fiber optic). Достоинством волоконно-оптического кабеля является отсутствие необходимости скручивания волокон или их экранирования, т.е. отсутствуют проблемы перекрестных помех (crosstalk).
Оптическое волокно представляет собой двухслойную цилиндрическую структуру в виде сердцевины (оптического световода) и оболочки. Причем, сердцевина и оболочка имеют разную оптическую плотность или показатель преломления n. Чем больше оптическая плотность материала, тем больше замедляется свет по сравнению со скоростью в вакууме. Значение показателя преломления сердцевины n1 выше показателя преломления n2 оболочки (n1 > n2).
Передача оптического излучения по световоду реализуется за счет свойства внутреннего отражения, которое обеспечивается неравенством показателей преломления сердцевины и оболочки n1>n2, при этом сердцевина с большим показателем преломления является оптически более плотной средой.
Когда луч света 1 (рис.3.4) падает на границу раздела двух прозрачных материалов с коэффициентами преломления n1 и n2, причем n1 > n2, свет делится на две части.
Рис.3.4. Отражение и преломление лучей света
Часть светового луча отражается назад в исходную среду (сердцевину) с углом отражения 3 равным углу падения 1. Другая часть энергии светового луча пересекает границу раздела двух сред и вступает во второе вещество (оболочку) под углом 2. Эта часть энергии, попавшая в оболочку, характеризует потери энергии, которая должна была распространяться по сердцевине. При увеличении угла падения 1 возрастает угол преломления 2. При некотором значении угла 1, называемом критическим кр, луч 2 (рис.3.4) не преломляется; часть его отражается, а часть скользит вдоль границы раздела, т.е. угол преломления равен о. При условии, что угол падения будет больше критического 1 > кр и n1 > n2, наступает эффект полного внутреннего отражения, когда вся энергия светового луча остается внутри сердцевины, т.е. луч света распространяется по световоду без потерь на большое расстояние.
Диапазон углов падения лучей света, входящих в волокно, при котором реализуется первое условие полного внутреннего отражения, называется числовой апертурой волокна. Лучи света должны входить в сердцевину только под углом, находящимся внутри числовой апертуры волокна. Поскольку лучи входят под разными углами, то они отражаются от границы раздела сердцевины и оболочки под разными углами и проходят разное расстояние до устройства назначения (рис.3.5, а,б).
Рис.3.5. Многомодовое (а) и одномодовое (б) волокно
Эти составляющие лучей света называются модами. Возникновение мод в оптическом волокне возможно, если диаметр сердцевины сравнительно большой. Такое волокно называется многомодовым (multimode).
В стандартном многомодовом оптическом кабеле используется сердцевина диаметром 62,5 или 50 микрон и оболочка диаметром 125 микрон. Такие кабели обозначаются 62,5/125 или 50/125. Наличие многих мод приводит к появлению межмодовой дисперсии (размыву) передаваемого импульсного сигнала. Из-за дисперсии снижается скорость передачи данных, т.к. размытые импульсы накладываются друг на друга, и уменьшается расстояние, на которое можно передать данные. Для снижения влияния многих мод на величину дисперсии при большом диаметре сердцевины разработано многомодовое волокно с градиентным показателем преломления.
Одномодовое волокно (singlemode) имеет меньший диаметр сердцевины, что позволяет только одной моде луча света распространяться по сердцевине вдоль оси волокна. Диаметр сердцевины одномодового волокна уменьшен до значения восемь – десять микрон. Обычно одномодовое волокно маркируют следующим образом – 9/125. Это означает, что диаметр сердцевины составляет 9 микрон, а оболочки – 125 микрон. Одномодовое волокно более дорого по сравнению с многомодовым. Однако в одномодовых кабелях выше скорость передачи данных и больше расстояние, на которое могут быть переданы данные. Поэтому одномодовые кабели используется в локальных сетях для соединений между зданиями, а в технологиях линий SDH – для междугородней связи.
В одномодовом волокне межмодовая дисперсия отсутствует. Однако, хроматическая дисперсия характерна как для многомодового, так и для одномодового волокна. Хроматическая дисперсия возникает из-за того, что волны света разной длины проходят через оптическое волокно с несколько различными скоростями. В идеале источник света (светодиод или лазер) должны генерировать свет только одной частоты, тогда хроматической дисперсии не было бы. К сожалению, лазеры и особенно светодиоды генерируют целый спектр частот (длин волн). Поэтому дисперсия ограничивает расстояние и скорость передачи данных.
На сигналы в волоконно-оптическом кабеле не влияют источники внешних электромагнитных помех, которые вызывают проблемы в медных кабелях. Кроме того, передача света по одному волокну в кабеле не оказывает влияния на другое волокно. Это означает, что отсутствуют проблемы перекрестных помех (crosstalk). Качество оптических волокон настолько высокое, что расстояние передачи в локальных сетях, определенное стандартом Gigabit Ethernet, составляет до 5 км, а стандартом 10Gigabit Ethernet – до 40 км.
В качестве источников света для оптических кабелей используются:
Светодиоды (light emitting diode - LED), которые генерируют инфракрасный свет с длиной волны 850нм или 1310 нм. Светодиоды используются с многомодовым волокном. Для ввода луча света в волокно применяется фокусировка с помощью объективов. Светодиоды несколько дешевле лазеров, однако передают импульсы света на меньшее расстояние. Многомодовое волокно со светодиодами способно передавать данные на расстояние до 2000 м.
Лазеры (Light amplification by stimulated emission radiation - LASER), генерирующие узкополосный инфракрасный луч с длиной волны 1310нм или 1550 нм. Лазеры используются с одномодовым волокном для передачи данных на большие расстояния в различных технологиях глобальных и локальных сетей.
Приемник оптических сигналов преобразует принятые оптические импульсы в электрические, используя фотодиоды (p-intrinsic-n diodes - PIN). Фотодиоды производятся для работы на длинах волн 850, 1310 или 1550 нм.