волоконно оптическая связь что это такое
Digitrode
цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы
Как работает волоконно-оптическая связь и почему она используется для высокоскоростной передачи данных
Что такое оптоволоконная связь
Оптоволоконная связь – это метод связи, при котором сигнал передается в виде света, а оптическое волокно используется в качестве среды передачи этого светового сигнала из одного места в другое. Сигнал, передаваемый по оптическому волокну, преобразуется из электрического сигнала в свет, а на приемном конце он преобразуется обратно в электрический сигнал из света. Отправляемые данные могут быть в форме аудио, видео или телеметрических данных, которые должны быть отправлены на большие расстояния или по локальным сетям. Оптоволоконная связь, обеспечивающая хорошие результаты при передаче данных на большие расстояния на высокой скорости, используется в качестве приложения для различных коммуникационных целей.
Как работает оптоволоконная связь
Процесс связи по оптоволокну передает сигнал в виде света, который сначала преобразуется в свет из электрических сигналов и передается, а затем, наоборот, происходит преобразование света в электрические сигналы на приемной стороне. Этот процесс можно объяснить с помощью диаграммы, как показано ниже.
На стороне передатчика, во-первых, если данные являются аналоговыми, они отправляются в схему кодера или преобразователя, которая преобразует аналоговый сигнал в цифровые импульсы 0,1,0,1… (в зависимости от того, какие данные) и передается через схему передатчика источника света. И если вход является цифровым, то он напрямую передается через схему передатчика источника света, которая преобразует сигнал в световые волны.
Световые волны, принимаемые от схемы передатчика к оптоволоконному кабелю, теперь передаются от местоположения источника к месту назначения и принимаются в блоке приемника.
Теперь на стороне приемника фотоэлемент, также известный как детектор света, получает световые волны от оптоволоконного кабеля, усиливает его с помощью усилителя и преобразует его в соответствующий цифровой сигнал. Теперь, если выходной источник является цифровым, тогда сигнал больше не изменяется, а если выходному источнику требуется аналоговый сигнал, тогда цифровые импульсы затем преобразуются обратно в аналоговый сигнал с использованием схемы декодера.
Весь процесс передачи электрического сигнала из одной точки в другую путем преобразования его в свет и использования оптоволоконного кабеля в качестве источника передачи известен как волоконно-оптическая связь.
Почему используется волокно
Волоконно-оптические провода заменили медный провод в качестве кабеля передачи, поскольку они имеют больше преимуществ, чем электрические кабели.
Причины ясно объясняют, что оптоволоконные кабели намного лучше, чем коаксиальные медные кабели, и именно поэтому оптоволоконные кабели предпочтительнее, чем обычные среды передачи.
Почему свет, а не электричество
Свет или лазерный луч (если быть точным) используется для связи по оптоволокну из-за того, что лазерный луч является источником света с одной длиной волны. В то время как другие световые сигналы, такие как солнечный свет или лампа накаливания, имеют много длин волн света, и в результате, если они используются для связи, они будут генерировать луч, который является очень менее мощным, и, с другой стороны, лазер, имеющий единственный луч, даст более мощный луч в качестве выхода.
Таким образом, меньшее рассеивание, передача большего количества сигналов и использование меньшего количества времени делают такой свет хорошим источником связи.
Характеристики волоконно-оптической связи
В оптоволоконной связи свет используется в качестве сигнала, который передается внутри оптоволоконного кабеля. Этот способ общения имеет характеристики, которые важно учитывать, и делает его хорошим способом общения.
Применение оптического волокна
Оптоволоконная связь в основном применяется в телекоммуникационной отрасли, которая использует оптоволокно для:
Кроме того, в настоящее время оптическое волокно используется повсеместно в домах, на предприятиях, в офисах для междугородних и малых коммуникаций.
Влияние оптического волокна на Интернет вещей (IoT)
Связь по оптоволоконному кабелю окажет большое влияние на Интернет вещей, и перечисленные ниже вещи объяснят вам, почему для Интернета вещей может потребоваться оптоволоконная связь.
Оптоволоконные сети – что это такое, и для чего они нужны?
Всем привет и сегодня речь у нас поёдет о не особо известных, но широко применяемых оптоволоконных связях. По-другому их можно ещё называть как ВОЛС или волоконно-оптические линии связи. Достаточно длинное название, поэтому в широких кругах чаще используется простое сокращение как «оптика» или «оптоволокно». На самом деле это не совсем одно и тоже, но обо всё по порядку.
ВОЛС — это специализированные линии связи, по которым передача информации идёт путём светового пучка в определённой кодировке. Эту технологию в первую очередь применяют для передачи данных в локальных и глобальных сетях на достаточно большое расстояние. Но её также используют и в военной промышленности, медицине и в других не сетевых сферах.
Принцип действия
И так мы уже разобрались, что такое ВОЛС, но каким же образом по ним передаётся информация. В подобных сетях используется оптоволокно. Оно состоит из центральной жили и имеет небольшой размер. Жила обычно сделана как вы, наверное, уже догадались из стекла. Именно по жиле и идёт передача данных пучком света.
Но тут сразу же встаёт вопрос – а как увеличить передачу на большее расстояние? Для этого используют второй слой стекла, который обволакивает центральную жилу и при передаче информации отражает свет. Ранее думали использовать в качестве отражения зеркала или подобие зеркальных поверхностей – но как оказалось, такой материал был бы очень дорогим.
Вы когда-нибудь бывали на море или озере в лучах заката. Помните, как свет от солнца под большим углом отражался от воды. Хотя как вы, наверное, знаете, вода прозрачная. Но при увеличении угла и плотности между двумя материалами – свет начинает отражаться от разных сред.
Именно эту технологию и используют в оптоволоконной связи. Сердечник и внешняя оболочка имеют разную плотность и структуру, из-за чего луч света, отражаясь, распространяется куда дальше. Для передачи и воспроизведения света используется полупроводниковый или диодный лазер.
Если окунуться в историю, то первыми трудами, который заложили основу «оптики» – было исследование Даниелем Колладоном и Жаком Бабинеттом. Они в первую очередь изучали возможности преломления света. Но если быть точнее, то прародителем стал Кларенс Хаснелл – он в первые применил свет для передачи изображения через специальные трубки.
Отличие от витой пары
Если окунуться в 2000-е годы, то возможно кто-то вспомнит, что тогда в России и других странах СНГ использовался только интернет по типу aDLS. Когда интернет пришёл в РФ, то страна была просто не готова к этому. По всей стране не было ничего подходящего, чтобы передавать информацию от компьютера к компьютеру.
Именно тогда пришла идея использовать старые телефонные провода. Напомню, что это обычные два проводка без оплётки и дополнительной защиты. В результате интернет всё же появился, но имел очень маленькую скорость. Также многие жаловались, на лаги, прерывания, постоянное отваливающийся интернет.
Все эти проблемы были связаны как раз со способом передачи информации. По двум проводкам без оплётки очень сложно было передавать данные – так как при передаче многие пакеты терялись или изменялись в результате помех от электромагнитных волн. На смену телефонным линиям пришла витая пара.
Витая пара — это скрученные пары проводов во одной внешней оплётке. Чаще всего используется именно витая пара с 4 парами (8 проводков). Данный вид коммуникации уже стал намного надёжнее телефонного кабеля. В качестве защиты от радиоволн придумали нехитрую штуку – а именно скручивание.
Скорость при это выросла в несколько раз. Но была проблема быстрого затухания сигнала. Подобные провода могут бить до 100 метров, не дальше. А при увеличении скорости будет падать и диапазон действия.
Вот тут на смену пришла оптоволоконная связь. Скорость выросла ещё сильнее, но также увеличилось дальность отправки пакета. Если раньше приходилось каждые 100 метров устанавливать повторители, то при передаче с помощью «оптики» дальность стала больше на несколько километров.
Но что самое интересное – волоконная связь почти полностью защищена от электромагнитного воздействия. Также подобные провода почти неподвержены температурным скачкам и могут работать как в сильную жару, так и в дикий холод.
Частота передачи с помощью света выше поэтому минимальная скорость начинается от 1 Гбит в секунду. При передаче в витой паре при задействовании всех пар скорость будет 1 Гбит в секунду. Но при этом провод будет очень дорогим, так как для достижения такого результата нужно защитить каждый провод «экраном» от воздействия внешней среды.
К недостаткам ВОЛС можно отнести только сложность в монтаже и сварке. Для этого нужно специальное оборудования и знания. При «сварке» или по-другому соединении двух оптических кабелей – нужно добиться идеального соединения между центральными жилами и внешним стеклом. Иначе свет будет затухать именно на этом участке или коэффициент преломления будет не правильным.
Передача данных в сетях
Все происходит аналогично. Изначально отправительное устройство кодирует информацию в виде пакетов. Далее данные переводятся в тот формат, который можно передать с помощью света через ВОЛС. После этого информация отправляется по линиям связи. Почти моментально она доходит до приёмника. Ему же остаётся перевести данные в формат, понятный для компьютера, коммутатора, роутера или другого сетевого оборудования.
Сегодня оптоволоконные сети есть почти во всех городах. Подключение домов имеет непосредственно через «оптику». Кабель идёт к центральному коммутатору. Далее от него с помощью витой пары провода идут в каждый дом. Сейчас некоторые провайдеры начали подключать клиентов по оптоволокну. То есть вместо той же витой пары – используется «стекло».
Скорость на таких соединениях выше. При этом вырастает и качество связи и интернета. Из-за более высокой надёжности – значение отклика ниже и лагов меньше. Но тут нужно учитывать, что для подключения такого кабеля нужны специальные маршрутизаторы.
А еще у нас есть статья по схожей теме от Блондинки – ЧИТАЕМ ТУТ.
Оптоволокно: прошлое и настоящее
В 1966 году ученый и выходец из Китая Чарльз Као Куэн представил миру результаты собственного исследования. Основной посыл его разработок заключался в том, что оптическую связь можно организовать с помощью стеклянного волокна. В своей работе Као представил миру уникальные конструктивные особенности волокна и его материалов. Исследования ученого можно по праву считать основой волоконно-оптических телекоммуникаций сегодняшнего дня. Первое же упоминание термина “оптическое волокно” впервые было использовано в 1956 году компанией NS Kapany из США.
Сегодня технологии волоконно-оптической связи настолько прочно проникли в нашу жизнь, что мы уже не видим в них ничего удивительного и воспринимаем их наличие также, как наличие водопровода в многоквартирном доме. Поэтому в этой публикации хотелось бы подробнее поговорить об оптике и рассказать несколько интересных фактов о технологии, на которой основана современная высокоскоростная связь.
Немного истории
За время истории развития волоконной оптики было проведено множество интересных исследований и экспериментов. Остановим свой взгляд лишь на некоторых из них.
Английский физик Джон Тиндалл провел эксперимент с отражением светового луча в струе воды, описание которого он зафиксировал в своей книге.
«Если угол, под которым падает луч света из воды в воздух (т.е. угол между поверхностью двух сред и перпендикуляром), превышает 48 градусов, то луч не выходит из воды – он полностью отражается от границы вода-воздух… Если наименьший угол падения, при котором наблюдается полное внутреннее отражение, назвать предельным углом, то для воды он будет равным 48°27», для бесцветного стекла (флинтглас) – 38°41″, а для алмаза – 23°42″, — пишет Тиндалл.
Экспериментальная установка Джона Тиндалла
Этот эксперимент при желании может дома поставить любой желающий. Лазерной указкой нужно светить под разными углами в ванной на струю воды из крана. Под определенным углом световой луч будет полностью отражаться в потоке воды.
Аналогичный эксперимент можно произвести и с фонариком. Для этого в прозрачной пластиковой бутылке нужно сделать отверстие сбоку. Пропускаем воду через бутылку и начинаем светить фонарем с противоположной стороны бутылки. Если мы подставив ладонь, то на ней будет отражаться пятно света.
Активные разговоры о волоконных светодиодах начались еще в пятидесятых годах прошлого столетия. Тогда же и начали их делать из разного рода прозрачных материалов. Но прозрачности тех материалов не хватало для хорошей проводимости света.
В те годы Советский Союз даже опережал Запад в сфере волоконной оптики. Первая оптическая линия связи была запущена в СССР в 1977 году в Зеленограде. Канал был создан для соединения Северной промзоны и администрации города. Изготовлена она была на оптическом кабеле разработки особого конструкторского бюро кабельной промышленности (ОКБ КП), входящего в Концерн «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ) Государственной корпорации Ростех, специализирующегося на производстве кабелей и кабельных сборок.
В мае 1981 года в СССР вышло Постановление ЦК КПСС и СМ СССР «О разработке и внедрении световодных систем связи и передачи информации». Это событие стало толчком для развития волоконно-оптической связи и увеличению количества разработок в этой сфере.
В начале 60-х сначала в СССР, а затем и на Западе ученые приходят к выводу, что светопоглощение стекла сильно зависит от красящих материалов и продуктов разъедания огнеупоров. Экспериментально было доказано, что светопоглощение идеально чистого стекла настолько мало, что лежит за пределами чувствительности измерительных приборов.
В 1966 году группа ученых во главе Чарльзом Куэн Као приходит к выводу, что наиболее подходящим материалом для волоконно-оптической связи будет кварцевое стекло. Уже тогда Као считал, что с помощью оптики можно будет передавать информацию и вскоре этот вид связи заменит передачи сигнала по медным проводам.
Спустя три года Као получил волокно с коэффициентом затухания на уровне 4 дБ/км. Это результат стал первым экземпляром сверхпрозрачного стекла. Еще год спустя компания Corning Incorporated произвела волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и достигла коэффициента затухания 20 дБ/км на длине волны 633 нм. Впервые кварцевое волокно пропустило световой луч на расстояние до 2 километров.
Согласитесь в схожем темпе сейчас развивается квантовая передача данных. По чуть-чуть, да понемногу. В качестве экспериментов и коммерческого использования на небольших расстояниях.
Где оптоволокно применяется помимо телекома
Сегодня волокно применяется во множестве отраслей помимо телекома. Это рентгеновские аппараты, где оно обеспечивает гальваническую развязку между источником высокого напряжения и низковольтным управляющим оборудованием. Так персонал и пациенты получают изоляцию от высоковольтной части аппаратуры. Волокно применяют в распределительных устройствах электроподстанций в качестве датчика системы защиты.
Обширно оптические волокна используют в разного рода измерительных системах, где невозможно применять традиционные электроприборы. Например, в системах измерения температуры в реактивных двигателях самолета, в аппаратах МРТ (томографические медицинские аппараты для исследования внутренних органов, в том числе головного мозга) и др. Датчики на основе оптических волокон могут измерять частоту вибраций, вращения, смещения, скорость и ускорение, вращающий момент, скручивание и другие параметры.
Сегодня применяются гироскопы на основе оптического волокна, которые работают на основе эффекта Саньяка. У такого гироскопа нет подвижных частей, что делает его весьма надежным. Несмотря на то что в современных системах навигации используется огромное количество различных датчиков, благодаря которым определяется положение объекта, наиболее независимую систему можно создать лишь на основе волоконно-оптических гироскопов.
Оптика широко применяется в охранной сигнализации. Устроена такая охранная система следующим образом: когда злоумышленник проникает на территорию условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.
Пример реализации волоконно-оптического гироскопа
Трехосевой волоконно-оптический инерциальный измерительный модуль серии ASTRIX производства фирмы AIRBUS DEFENCE&SPACE; в датчик по каждому направлению встроен LiNb03 модулятор
Волокно активно используется в декоративных целях, как украшение праздников, в искусстве и рекламе.
Постоянно разрабатываются новые типы оптических волокон. К примеру, фотонно-кристаллических световоды. Распространение света в них основано на несколько иных принципах. Такое волокно можно использовать в качестве жидкостных, химических и газовых датчиков. Кроме того его можно применять для для транспортировки мощного излучения в промышленных или медицинских целях.
Полным ходом идет разработка оптоволокна, с помощью которого можно было бы передавать энергию лазерного излучения мощность в несколько киловатт. В теории передача излучения мощность 10 кВт по волокну длиной 250 м при диаметре сердцевины 150 мкм считается возможной.
Фотонно-кристаллическое волокно
Также стоит отметить, что сегодня активно разрабатываются многосердцевинные волокна. Их использование позволит значительно увеличить общую пропускную способность ВОЛС.
Волокну уже за пятьдесят, но технология явно не собирается на пенсию. Инновации в сфере оптоволокна появляются регулярно и телеком здесь далеко не единственная отрасль заинтересованная в развитии технологии.
Что такое оптоволоконная связь, элементы ВОЛС и преимущества
Вступление
Оптоволоконная связь позволяет телекоммуникационным сетям обеспечивать высокоскоростные соединения с высокой пропускной способностью в пределах одной страны и в международном информационно коммуникационном пространстве.
Оптоволоконная связь состоит из активных и пассивных элементов, основными из которых являются:
Всю номенклатуру элементов и компонентов ВОЛС, а также другого оборудования радиофотоника посмотрите на сайте https://lenlasers.ru/catalog/opticheskie-transivery-sfp-mednye/. Это сайт компании разработчик и поставщика лазерно-оптических компонентов и оборудования российского и зарубежного производства.
История оптоволоконной связи
Оптоволоконная связь произвела революцию в телекоммуникационной отрасли. Он получил широкое признание у организаторов сетей связи и коммуникаций. Оптическая связь, используя оптоволоконный кабель, позволила установить телекоммуникационные линии на гораздо большие расстояния, с гораздо меньшими уровнями потерь. Это позволило обеспечить гораздо более высокие скорости передачи данных.
В результате этих преимуществ ВОЛС широко используются в основной инфраструктуре магистральной связи, в широкополосных системах Ethernet и общих сетей передачи данных.
С первых дней развития телекоммуникаций постоянно возрастала потребность в передаче большего количества данных. Первоначально использовались однолинейные провода. На смену им пришли коаксиальные кабели, которые позволили нескольким каналам передавать по одному и тому же кабелю. Однако эти системы были ограничены в полосе пропускания.
В 60-70-х годах прошлого века, после ряда открытий (в частности создания лазера), стала возможной оптическая связь — передача электрического сигнала светом.
Сегодня это открытие позволяет передавать данные на большие расстояния со скоростью передачи до 10Тбит/сек.
Оптоволоконная связь в преимуществах
Существует ряд веских причин, которые приводят к широкому распространению ВОК кабелей:
Из чего состоит оптоволоконная связь
Любая ВОЛС будет состоять из ряда элементов. Это:
Элементы ВОЛС могут меняться в зависимости от назначения. Очевидно, что локальным сетям, не нужны методы организации ВОЛС между городами. Однако, общие принципы для любой ВОЛС одинаковые.
Оптоволоконная связь: основные принципы
Суть оптоволоконной связи в преобразовании электрического сигнала в световой потолок, передача светового потока на расстояние и обратное преобразование света в электрический сигнал.
Свет в данной системе передается по специальному кабелю, называемому стекловолокном. «Ловят» оптический сигнал детекторы. Они преобразуют импульсы света обратно в «читаемые» электрические импульсы. То есть имеет место передача электрических сигналов светом.
Оптоволоконный передатчик
В первоначальных ВОЛС использовались большие лазеры, сегодня можно использовать различные полупроводниковые устройства. Чаще всего используются светоизлучающие диоды, светодиоды и полупроводниковые лазерные диоды.
Самым простым передающим устройством является светодиод. Его главное преимущество заключается в дешевизне. Однако у них есть ряд недостатков. Во-первых, они имеют очень низкий уровень эффективности. Только около 1% мощности поступает в оптическое волокно, а это означает, что потребуются драйверы высокой мощности для обеспечения достаточного количества света для передачи на большие расстояния.
Второй недостаток светодиода в излучении некогерентного света широкого спектра 30–60 нм. Из-за этого дисперсия в волокне ограничивает предел пропускной способности волоконного световода.
Волоконные светодиоды используются для локальных сетей, где скорость передачи данных в диапазоне 10–100 Мбит/с, а расстояние передачи несколько километров.
Оптоволоконная связь на большие расстояния с более высокими скоростями передачи данных, потребует большей производительности источника света. В этих системах используют лазеры. Хотя они более дорогие, они обладают существенными преимуществами.
Во-первых, они могут обеспечить более высокий выходной уровень;
Во-вторых, световой поток является направленным, что обеспечивает гораздо более высокую эффективность передачи света в оптоволоконный кабель. Эффективность связи с одномодовым волокном может достигать 50%.
В-третьих, лазеры имеют очень узкую спектральную полосу пропускания, то есть они производят когерентный свет. Эта узкая спектральная ширина позволяет лазерам передавать данные с гораздо большей скоростью, поскольку модальная дисперсия менее заметна.
Для очень высоких скоростей передачи данных или очень больших расстояний более эффективно использовать лазер с постоянным уровнем выходной мощности (непрерывной волной). Затем свет модулируется с помощью внешнего устройства. Использования внешних средств модуляции увеличивает максимальное расстояние между линиями связи, поскольку устраняется эффект, известный как лазерный «чирп». Этот эффект расширяет спектр светового сигнала и увеличивает хроматическую дисперсию в оптоволоконном кабеле.
Оптоволоконная связь и оптический кабель
По сути, оптоволоконный кабель состоит из сердечника, вокруг которого находится еще один слой, называемый оболочкой. Снаружи есть защитное внешнее покрытие.
Оптические кабели работают, потому что их оболочка имеет намного меньший показатель преломления, чем у сердечника. Это означает, что свет, проходящий по сердцевине, подвергается полному внутреннему отражению, когда достигает границы сердцевина-оболочка. То есть отражаясь свет движется внутри сердцевины оптического волокна.
Усилители (репитеры)
Есть ограничения в расстояние передачи сигналов по оптоволоконным кабелям. Это ограничивается связаны с затуханием сигнала и искажением светового сигнала вдоль кабеля. Чтобы преодолеть эти эффекты и передавать сигналы на большие расстояния (например, между городами), используются повторители и усилители сигналов.
Часто используют фотоэлектрические повторители. Эти устройства преобразуют оптический сигнал в электрический формат, где его можно обработать, чтобы сигнал не искажался, а затем преобразовать обратно в оптический формат.
Альтернативный подход – использовать оптический усилитель (эрбиевые 1,55мкм, иттербиевые 1 мкм, тулиевые 2 и 1,47 мкм). Эти усилители напрямую усиливают оптический сигнал без необходимости преобразовывать сигнал обратно в электрический формат.
Ввиду гораздо более низкой стоимости ВОУ по сравнению с повторителями, они используются гораздо чаще.
Оптоволоконная связь и приемники
Свет, распространяющийся по оптоволоконному кабелю, необходимо преобразовать в электрический сигнал, чтобы его можно было обработать и извлечь передаваемые данные. Компонент, который лежит в основе приемника, – это детектор (фотодетектор).
Обычно это полупроводниковое устройство с pn-переходом, штыревым фотодиодом или лавинным фотодиодом. Фототранзисторы не используются, потому что они не имеют достаточного быстродействия.
После того как оптический сигнал от оптоволоконного кабеля был подан на детектор и преобразован в электрический формат, он может быть обработан для восстановления данных, которые затем могут быть переданы в конечный пункт назначения.
Заключение
Оптоволоконная связь сегодня чаще используется для телекоммуникационных сетей на больших расстояниях и для высокоскоростных локальных сетей. В настоящее время волоконная оптика почти не используется для доставки услуг в дома, хотя это является долгосрочной целью для многих телекоммуникационных компаний.