Пользователь
0,0
рейтинг
3 февраля 2015 в 18:10

Как «согнуть» свет? Или краткий экскурс в мир волоконной оптики из песочницы

Доброго дня, читатель! Наверняка каждый слышал о волоконной оптике, многие имели с ней дело в телекоммуникациях, у кого-то даже проведен оптоволоконный кабель в дом. В общем, этот термин на слуху; да и суть вопроса – передача света на расстояние по тонкому волокну – в общем виде понятна. Но я предлагаю немного углубиться в эту технологию, во многом изменившую мир. В этом посте я постараюсь простым и понятным языком объяснить суть волоконной оптики, как это работает – на уровне простого физического понимания, с упрощениями и примерами, без страшных формул. Иными словами, «на пальцах». Если интересно, то добро пожаловать под кат. Осторожно: много текста, наличествуют картинки.

image

Волею судеб так уж сложилось, что мое образование, а потом и профессиональная деятельность плотно связана с оптическим волокном и лазерами. Некоторое время проработав в телекоме, а потом перейдя в область научной разработки и измерений, имел возможность заметить, что с оптическим волокном на уровне глубокого понимания знакомы далеко не все даже среди технарей-лазерщиков и телекомщиков. Те, кто занимаются телекомом, в большинстве своем воспринимают волокно на уровне «патчкорда» или кабеля. Для них – это коммутационный шнур или абстрактная линия связи. Да, с затуханием, дисперсией, сварками и рефлектограммами, но лишь с поверхностным пониманием физического принципа работы. Безусловно, это вовсе не плохо, просто таковы особенности их работы. Во всяком случае, желание написать научно-популярную статью по самой сути волоконной оптики возникало неоднократно, тем более что образование и опыт позволяют это сделать: все, что написано в этой статье не только «материал из учебников», но еще и мой личный опыт. С одной стороны, хочется подробно остановиться на многих моментах, а с другой — статья получится слишком большого объема. Решено сделать так: эта статья вводно-обзорная. Если у общественности возникнет интерес, последует цикл постов, посвящённых наиболее интересным вопросам в обширной оптоволоконной теме. Надеюсь, будет интересно. Итак, поехали!

Как это работает?


Первая мысль, возникшая в моем, тогда еще детском мозгу, когда я впервые увидел такой световодный светильник, была «Как же это работает!?». В школе нас учили, что свет в однородной среде распространяется прямолинейно. А как согнуть свет? Ответ узнал несколько позже. Все мы слышали об эффекте полного внутреннего отражения, т.н. ПВО. Если свет выходит из более плотной оптической среды (стекло) в менее плотную (воздух), n стекла > n воздуха, то при некотором угле падения свет может не выйти наружу, а отразится обратно. Это все хорошо знакомо нам еще со школьной скамьи. За этим явлением скрываются достаточно толстые уравнения волнового распространения света и объемная теория. Но нам это не нужно сейчас, достаточно знать, что такое есть. ПВО в обычной жизни наблюдал почти каждый. По крайней мере, тот, кто нырял с маской под воду. Из воды мы можем видеть все, что прямо над нами, но на некоторой периферии мы видим зеркальную поверхность воды и не видим то, что над нею – это и есть ПВО.

image

Теперь представим, что имеем лист стекла в воздухе. Если посветить ему в торец лазерной указкой под небольшим углом к плоскости поверхности, то ее свет, многократно отразившись, выйдет с другой стороны этого стекла – это работает явление ПВО. А теперь возьмем стеклянный стержень – эффект будет тот же. В данном случае свет ограничен не в одной, а уже в двух плоскостях, разумеется, если угол падения света не превышает угла ПВО.

image

А вот если стеклянный стержень мы заменим прозрачной леской, то и в ней свет будет распространяться, но его уже можно будет «согнуть». Разумеется, до тех пор, пока радиус изгиба достаточно велик. Когда радиус изгиба становится малым, свет будет выходить в этом месте из лески, поскольку угол падения света на поверхность лески будет больше угла ПВО. Заметьте, у лески нет зеркального покрытия, свет держится в ней сам. Примерно так и работают оптические световоды. Свет в них распространяется до тех пор, пока не нарушится закон ПВО и свет не выйдет из световедущей жилы. Оптическое волокно, по своей сути, та же леска в декоративном светильнике, но имеет более сложную структуру.

Вообще, оптических волокон существует огромное количество видов, различающихся формой, размером, материалом, покрытием, свойствами, областями применения и т.д. Обзор и сравнение различных типов волокон – это тема для отдельной огромной статьи. Однако все эти волокна конструктивно объединяет одно: у них есть светонесущая сердцевина (core) с бОльшим показателем преломления и оболочка (cladding) с меньшим показателем преломления. За счет этого достигается эффект ПВО. Что касается размеров волокон, то, в зависимости от конструкции и области применения, они могут быть от 50мкм до 1мм и более в диаметре (имеется в виду само волокно без защитных оболочек). Накладывание различных защитных оболочек увеличивает диаметр волокна в разы. В этой статье я рассмотрю только самые простые и распространенные типы волокон, применяющихся в телекоммуникациях. Если возникнет интерес, поговорим и о других.

Как это делают?


Телекоммуникационные волокна, да и многие другие, в 99.9% случаев изготавливаются из чистого кварцевого стекла. Химическая формула SiO2. Оконные стекла изготавливаются из него же, но с примесями, блокирующими УФ излучение: Na2C03, К2СО3, СаС03. На Википедии про диоксид кремния достаточно информации. Да, гибкие оптические волокна действительно сделаны из стекла — некоторые мне так и не поверили. Стереотип о том, что стекло не гнется, а колется и бьется въелся в людские головы прочно.

Хорошо известно, что стекло имеет аморфную структуру, а значит, не имеет фиксированной температуры плавления, как кристаллические вещества. Стекло при нагревании размягчается и становится вязким и из него легко можно вытянуть «нитку». Впрочем, такое волокно, хоть и гнется, весьма хрупкое, поскольку на его поверхности быстро образуются микротрещины, которые и разрушают волокно при возрастании напряжения на их поверхности при изгибе. Свежевытянутое волокно сразу же покрывается полимерной пленкой, защищающей от микротрещин. Но обо всем по порядку.

Опишу «классическую» схему изготовления телекоммуникационных одномодовых волокон с осаждением из газовой фазы. Сначала берется стеклянная труба длиной около метра или чуть более и толщиной несколько сантиметров. Внутри она полая. Ее внутренний диаметр определяет толщину светонесущей сердцевины. Основное отличие такого стекла – очень высокая степень очистки от примесей и OH-групп. Это необходимо для того, чтобы волокно имело максимальную прозрачность. Труба укладывается на станок и начинает вращаться вокруг своей оси, постепенно прогреваясь горелкой с температурой 1200-1500°С. С торца в трубу под давлением вдувается смесь газов O2, SiCl4, GeCl4, и др., предусмотренные технологией.

На поверхности горячей стеклянной трубы-заготовки происходит эпитаксия диоксида германия и SiO2. Диоксид германия повышает показатель преломления чистого кварца и практически не оказывает влияния на прозрачность. Нужный профиль показателя преломления сердцевины выращивается из газовой фазы путем регулирования соотношения газов, подаваемых в заготовку.

image

После наращивания слоя нужной толщины увеличивается температура горелки. Стекло размягчается сильнее и полость сердцевины, через которую продували газ, постепенно схлопывается под действием поверхностной силы натяжения. Выглядит это примерно так:

image

image

А так выглядят готовые к вытяжке заготовки:

image

Получается цельный стеклянный стержень с повышенным показателем преломления внутри – это будущая световедущая сердцевина. Затем стержень устанавливается вертикально и горелка разогревает его нижний конец, размягчая его сильнее. К заготовке подносится затравка, после чего начинается процесс вытягивания. Кто когда-нибудь клеил клеем а-ля «Момент» прекрасно представляет на что это похоже.

Схема башни для вытяжки оптоволокна:

image

Аппарат по вытяжке волокна занимает 2-3 этажа:

image

А вот так выглядит вытягиваемое волокно сразу после печки.

Современные башни для вытяжки волокна обвешаны датчиками, которые постоянно измеряют его толщину, эксцентриситет и другие отклонения.
Сразу после вытяжки на той же башне волокно покрывают защитным полимером и сматывают на катушки. Защитный полимер предохраняет стекло от появления микротрещин и внешних повреждений. Получившееся в итоге волокно в полимерной оболочке имеет толщину 0.25-0.4мм в зависимости от толщины слоя покрытия. Внешне практически не отличается от обыкновенной рыболовной лески. Часто оболочку волокна окрашивают в различные цвета, чтобы при монтаже их было легко различать. У многих возникает вопрос о прочности волокна. Кажется, что порвать его должно быть очень легко, ведь стекло хрупкое. На самом деле это не так. Конечно, разорвать его голыми руками можно, приложив определенное усилие. Но разорвать леску аналогичной толщины несколько проще. Оптоволокно действительно весьма прочное на разрыв. Но оно не терпит перегибов – иначе я бы уже давно ловил им рыбу. Его без проблем можно намотать на палец или даже тонкий карандаш, но завязать в узел, даже не затягивая, не получится – оно обломится.

Процесс изготовления всех кварцевых оптических волокон приблизительно одинаков. А вот далее их судьбы могут сильно отличаться в зависимости от свойств. Телекоммуникационные волокна отправляются на другую фабрику или в соседний цех, где их укладывают в кабели разнообразных конструкций: от простейшего шнура оптического патчкорда или пигтейла до толстенных кабелей для подводного межконтинентального проложения. Почувствуйте разницу:

Пигтейлы с одномодовым волокном:

image

Волоконно-оптический кабель для подводной прокладки:

image

В такой кабель, разумеется, укладывается не одно волокно, а несколько десятков, а то и сотен. Об укладке таких кабелей, если память мне не изменяет, на Хабре уже когда-то писалось.

Что же касается производителей волокна, то существует их очень много. Гиганты в производстве телекоммуникационных волокон Fujikura и Corning (которые делают Gorilla Glass). Они производят большую часть телекоммуникационных волокон. Так же стоит отметить таких производителей как Draka, Fibercore, Nufern, Samsung, Ceramoptec, OFS, NKT Photonics и другие. Даже в России производятся оптические волокна, например на Питерском предприятии НИТИОМ и др. К сожалению, говорить о серьезном массовом производстве высококачественных дешевых волокон для телекома в России пока не приходится – под натиском дешевой качественной продукции Китайских, Японских, Американских и Европейских производителей наши предприятия не выдерживают конкуренции. То волокно, что производится у нас, в основном, специализированное и узкопрофильное.

А вот оптические кабели, кстати, в России производятся весьма интенсивно. Но о процессе изготовления оптоволоконных кабелей различной конструкции говорить тут не буду, поскольку это тема отдельной статьи. Если будет интересно, раскрою и её.

Зачем все это нужно? Небольшой экскурс в историю


Теперь, наверное, самое интересное. Поговорили о процессе изготовления и немного о физических принципах работы. Ну а сейчас разберемся в том, почему, собственно, волоконная оптика нынче является основой современных телекоммуникаций.

Генерировать траффик мы умеем. Развитие полупроводниковой техники привело к колоссальному росту вычислительной мощности компьютеров. Это не могло не привести к росту и объемов генерируемой информации. Но мало толка от огромных залежей информации, если ее нельзя быстро передать. Как передать большое количество информации на расстояние быстро? Правильно, нужно взять высокоскоростной канал связи. А вот тут человечество в какой-то момент своего технологического развития уткнулось в проблему. К определенному времени пришло осознание, что нет достаточно скоростных каналов связи. А если они теоретически и есть, то непомерно дороги и сложны. Конечно, все это было давно, когда компьютеры были большими. Но уже тогда вопрос расширения каналов возникал все отчетливее. К 60-70м он уже требовал решения, несмотря на то, что объем информации, генерируемый вычислительными машинами был ничтожен по сравнению с тем трафиком, который источали телефонные сети, телевидение и радио. Это сейчас все иначе.

Нам известно, что информацию можно передавать электромагнитными волнами. Они могут распространяться как в воздухе (вакууме), так и по проводам – медным коаксиальным или витым. Вполне очевидно, что какой бы информация ни была – аналоговой или цифровой – скорость ее передачи зависит от частоты электромагнитной волны, несущей эту информацию. Чем выше частота несущей, тем больше может быть скорость передачи информации. Таким образом, вполне очевидно, что для увеличения скорости передачи в любой среде нужно принципиально увеличить частоту несущей. Это важно.

Теперь вспомним курс физики из школы – урок про электромагнитные волны. Представим шкалу частот электромагнитных волн:

image

Представили? Радиоволны и микроволны – инфракрасный свет – видимый свет – ультрафиолетовый – рентген – гамма излучение. Картинка из учебника по физике. Дальний инфракрасный свет условно граничит с радиодиапазоном, а ближний ИК – это уже оптический диапазон, в который входит и видимый свет. На каких частотах у нас работает радио? Сотни мегагерц. А WiFi, Bluetooth и т.д.? Несколько гигагерц. Можно и дальше увеличить частоту радиосигнала. Но генератор высокой частоты, особенно на большие мощности, необходимые для передачи на большие расстояния – штука нетривиальная и весьма сложная. Полупроводниковая электроника имеет «потолок» рабочих частот. Это уже фундаментальное ограничение – pn-переход просто не может работать быстрее. Самый быстрый полупроводниковый транзистор работает на частоте около 1ТГц при температуре 4.7К. А в 60-е годы о такой частоте и не мечтали. Стало быть, в радиодиапазоне дальше частоту уже не повысить. Нужен новый источник высокочастотных электромагнитных колебаний с гораздо более высокой частотой.

Какие доступные источники достаточно высокочастотных электромагнитных колебаний можно предложить? Если взглянуть на картинку выше, можно увидеть, что дальше по шкале частот от радиоволн идет ИК и видимый свет. Свет генерировать мы можем, кое-как управлять им – тоже. Уже хорошо. В 1960-м году появляется первый в мире лазер. Лазер – это генератор высокочастотных электромагнитных волн с определенной частотой, световых волн. В отличие от лампочки, лазер генерирует очень узкий спектр, почти одну длину волны. Да и излучение у него когерентное. Стало быть, лазер подходит на роль генератора несущей частоты для высокоскоростной передачи данных. Частоты ближнего ИК – сотни ТГц – частота выше традиционных радиоволн на 4-5 порядков. Источник несущей высокочастотной электромагнитной волны появился, возникла и перспектива развития высокоскоростной передачи данных.

Первый газовый лазер показал теоретическую возможность создания когерентного источника электромагнитных волн световой частоты. Появление и развитие других видов лазеров – дело времени, ибо принципы их работы стали широко известны. Но вопрос передачи такого высокочастотного электромагнитного излучения на большие расстояния стал крайне актуален. Свет живет по законам оптики, в отличие от радиоволн, а значит, надо было найти аналог коаксиальным кабелям, только для света.

Уже в 1966 году исследователи Као и Хокам из STC Laboratory представили первые оптические световоды в виде нитей из обыкновенного стекла. Затухание света в них составляло около 1000дБ/км, что делало невозможным передачу какого-либо сигнала на большие расстояния. Такие потери обуславливались наличием большого количества примесей в стекле.

В 1970м появились оптические волокна производства фирмы Corning, имевшие затухание около 20дБ/км. Сейчас такие величины кажутся несовместимыми с передачей данных, однако тогда они казались приемлемыми для организации связи по волокну. Примерно в то же время были изобретены достаточно компактные полупроводниковые лазеры на арсениде галлия. С 1975 по 1980 была реализована первая коммерческая линия связи со скоростью 45Мбит/с., а уже в 1988м был проложен первый трансатлантический оптоволоконный кабель.

Типы волокон


Любые волокна, в т.ч. телекоммуникационные делятся на два типа: одномодовые и многомодовые. Несмотря не огромное разнообразие видов, каждый из них принадлежит либо к одному, либо к другому типу. Чем они отличаются – разберемся. Исторически так сложилось, что первые коммерческие волокна, ввиду несовершенства технологии изготовления, имели достаточно толстую светонесущую сердцевину. В ней могло распространяться несколько световых мод, поэтому они получили название многомодовых. Давайте «на пальцах» поймем, что такое световая мода.

Свет – электромагнитная волна. Свет от лазера – когерентная волна, а значит, она может интерферировать. Интерферировать она может и в световоде, т.е. волокне. Вопреки распространенному мнению, свет от лазера в волокно вводится не в виде абсолютно идеального параллельного узкого пучка, а с некоторой угловой расходимостью. И она не так уж и мала. Да и невозможно сформировать идеальный параллельный луч – всегда есть некоторая расходимость. Представьте, что в волокно ввели такой луч с некоторой расходимостью. Луч, распространяясь в сердцевине, в какой-то момент начнет отражаться от верхней и нижней границы сердцевины и подложки. Отраженные части луча сформируют интерференцию, поскольку они когерентны. Интерференция, как известно, — это чередование светлых и темных полос, дискретная пространственная структура перераспределения интенсивности света. Оказывается, что в ограниченном пространстве, когда его размер сравним с длиной волны света, световой луч, распространяющийся в этом пространстве, распадается на несколько дискретных пространственных структур, которые и называются световыми модами.

Сложно? На самом деле нет. Световая мода – это всего лишь стоячая световая волна, возникшая в поперечном сечении световода. Что такое стоячая волна, думаю, объяснять не нужно. Если у стоячей волны в сечении световода одна пучность, то это первая мода, если 2 – вторая, 3 – третья, и т.д. Моды – это устойчивые дискретные пространственно-энергетические структуры распределения электромагнитного поля световой волны, обусловленные возникновением интерференции на отражениях света от стенок световода. Мода в волокне возникает только в том случае, если свет в волокно был введен под определенным углом. Угол ввода света в волокно, при котором образуется определенная световая мода, называется модовым углом. Свет, введенный не под модовым углом, перекачает свою энергию в ближайшие моды или излучится наружу. Иными словами, свет в световоде может распространяться только под определенными углами – модовыми. При этих углах возникают стоячие волны в сечении волокна.

При уменьшении размеров светонесущей сердцевины можно добиться одномодового режима работы световода. При этом стоячая волна в нем имеет только одну пучность.

В толстых волокнах, размеры сердцевины которых значительно превышают длину волны света, количество мод очень велико. Такие волокна называются обыкновенными световодами, к ним можно с некоторой оговоркой применять законы лучевой оптики. Световоды с относительно малым числом мод, а так же одномодовые принято называть волноводами, а при их расчетах необходимо учитывать волновые свойства света. Оптические волноводы являются аналогами коаксиальных кабелей для света.

Как уже говорилось, исторически первыми были многомодовые волокна. У них есть существенный недостаток, ограничивающий скорость передачи и дальность: межмодовая дисперсия.

image

Первые многомодовые волноводы, имевшие ступенчатый профиль показателя преломления (рис. а.), имели и значительное временное уширение светового импульса и искажали его форму. На рисунке хорошо виден механизм этого процесса. Световой импульс, введенный в волокно, распадался на дискретные моды, однако, за счет разных углов, каждая мода имела различный оптический путь, а значит и различное время распространения. На практике это приводило к тому, что световой импульс растягивался по времени и мог перекрываться со следующим, идущим за ним. Это означало много ошибок и потерю информации.

В дальнейшем технология позволила изготавливать многомодовые волноводы с градиентным профилем показателя преломления (рис. б.). Это привело к уменьшению межмодовой дисперсии и увеличению скорости передачи, однако принципиально проблему не решало.
Значительно увеличить скорость и дальность передачи позволило одномодовое волокно. Если нет посторонних мод, то нет и межмодовой дисперсии, световой импульс не уширяется.

image

Нынче в ходу оба типа волокна, однако, одномодовое встречается гораздо чаще. По цене оно уже не превосходит многомодовые. Стандартный одномод распространен повсеместно. Современный телекомщик задумывается о типе волокна весьма редко. По умолчанию везде одномодовое. Есть, конечно, еще и специфические типы волокон, применяющиеся в телекоммуникациях: с ненулевой дисперсией, со смещенной ненулевой дисперсией, с отрицательной дисперсией, активные волокна с легирующими присадками и т.д., однако рассматривать их в рамках этой статьи не представляется возможным.

Длина волны, затухание и дисперсия


Уже упоминалось, что первые стеклянные световоды имели затухание около 1000дБ/км, а первые коммерческие волокна – около 20дБ/км. Сейчас затухания гораздо меньше. Но давайте разберемся в этом поглубже. Затухание в волокне зависит не только от чистоты материала и качества изготовления волновода, но и от длины волны света.

image

UPD: Чуть менее наглядный, но более правильный график затухания (спасибо enclis) выглядит вот так:

image

На рисунке изображена кривая затухания света в кварцевом волокне. Из графика хорошо видны 3 минимума затухания – окна прозрачности. Исторически первое окно пропускания на 850нм используется до сих пор в многомодовых волокнах для связи на небольшие расстояния. Затухания в нем 3-5дБ/км. Для сравнения: представьте кусок оконного стекла толщиной 1 км. В нем свет затухнет всего лишь в 2 раза. Второе окно прозрачности на 1300-1310нм имеет затухание на уровне 0.3-0.4дБ/км. Третье окно, самое популярное сегодня, с длиной волны 1500-1550нм, имеет затухание около 0.22-0.3дБ/км. Кусок стекла толщиной 10км ослабит свет всего лишь в 2 раза. Свет с длинами волн короче 850нм достаточно активно рассеивается, длиннее 1650нм – уже сильно поглощается стеклом. Пики поглощения между окнами прозрачности обусловлены наличием примеси и OH-группами, колебательные уровни которых хорошо поглощают свет в этих диапазонах. Следует отметить, что эта кривая для современных волокон выглядит еще позитивнее: научились делать волокна с низким содержанием ОН и примесей, поэтому практически отсутствует пик поглощения между 1300 и 1500нм; стала возможна организация многоканальных систем предачи со спектральным уплотнением во всем диапазоне длин волн с 1270 по 1610нм (CWDM системы). На сегодняшний день 850нм обычно используется в многомодовых линиях с дальностью передачи до 3-5км, все остальные длины волн – для одномодовых волокон с передачей на бОльшие расстояния.

Еще одним важным фактором, помимо затухания, ограничивающим дальность и скорость передачи, является хроматическая дисперсия. Нет, это не межмодовая, свойственная многомодовым волокнам. Хроматическая дисперсия на порядки слабее и имеет другую природу, но ее приходится учитывать при расчете протяженных линий связи, особенно со скоростями более 10Гбит/с. Помните, как белый свет в стеклянной призме раскладывается в радугу? Вот это и есть хроматическая дисперсия – зависимость показателя преломления от длины волны. Иными словами, каждая длина волны света имеет свою, отличную от других, скорость распространения. В волоконных линиях связи хроматическая дисперсия приводит к уширению светового импульса по времени. Любой лазер неидеален: он излучает не одну длину волны, а целый спектр волн, пусть и узкий. Т.е. каждый световой импульс, излученный лазером, имеет в своем составе некоторый набор различных длин волн. Каждая из этих волн, распространяясь по волокну, обладает собственной скоростью, отличной от других. Это приводит к тому, что на выходе из волокна импульс расширяется во времени. Конечно, этот эффект гораздо менее заметен, чем межмодовая дисперсия, но результат тот же – уширение импульса и потеря информации, ошибки. Хроматическое уширение импульса зависит от ширины спектра лазера, дальности передачи и коэффициента дисперсии волокна. Стандартное волокно имеет хроматическую дисперсию на уровне 18пс/(нм*км) для длины волны 1550нм. Поскольку в большинстве случаев ВОЛС состоят из стандартного волокна, компенсацию дисперсии приходится производить примерно через каждые 70-90км (справедливо для 10Gbit/s линков, организованных парой трансиверов).

Я не рассматриваю другие виды дисперсии, они гораздо менее критичны для оптоволоконных линий связи, однако интересующиеся могут ознакомиться с ее видами тут.

Немного об усилении, спектральном уплотнении и расчете


Обычно канал связи организовывается по двум волокнам. В понимании телекомщиков в большинстве случаев любой канал связи дуплексный, т.е. идет одновременная передача из узла А в Б и из Б в А. Осуществляется она, обычно, по двум волокнам: из передатчика (Тх) в пункте А в приемник (Rx) узла Б и из Tx Б в Rx А. Свет не является трамваем на рельсах, он нематериален и может распространяться по одному волокну в обе стороны одновременно практически без взаимодействия. Вопрос лишь в том, как на входе и выходе разделить передаваемый и принимаемый сигнал. Способы есть, и их несколько. Вообще, каждое волокно в кабеле имеет огромный потенциал передачи информации, но количество волокон в любом кабеле конечно. Использовать пару волокон для организации одного дуплексного канала, да еще если в нем и невысокая скорость – верх расточительства.

Конечно, можно проложить больше кабелей – сам волоконно-оптический кабель не так уж и дорог – дорого его согласование и прокладка. Экстенсивно расширять пропускную способность и количество каналов путем прокладки новых кабелей – глупость, если у нас по паре волокон работает лишь один канал. Необходимо увеличивать количество каналов в паре волокон (или вообще в одном волокне), чтобы использование кабеля и волокна стало более выгодным. Как можно запихнуть максимальное количество информации в волокно? Для начала, следует агрегировать информационные потоки – электрическими методами. Если вы думаете, что, когда разговариваете с человеком в другой стране или городе по скайпу или смотрите онлайн фильм с удаленного хостинга, вам выделяется отдельная пара волокон на все время сеанса, вы сильно заблуждаетесь. На самом деле ваш траффик делится на пакетики и многократно объединяется с траффиком других пользователей и в виде большущего цифрового контейнера отсылается по волокну. На приемной стороне происходит разборка этого контейнера и ваш маленький пакетик траффика отправляется далее адресату. Агрегация каналов – отличный способ увеличить эффективность использования линии, ведь вместо большого количества «худых» каналов по куче волокон можно передать один «толстых» канал всего лишь по одной паре. Кстати, первым узлом агрегации можно считать ваш домашний WiFi роутер, который собирает в один информационный поток траффик с ваших телефонов, ноутбуков, пк, планшетов и т.д. и отсылает в сторону провайдера.

А вот если у нас уже имеется много агрегированных «толстых» каналов, а свободных волокон всего лишь пара, то приходится организовывать другой тип уплотнения – оптическими методами, или спектральное уплотнение. Суть его заключается в том, что для каждого «толстого» канала выделяется определенная частота (длина волны света, свой лазер) из набора стандартизированных длин волн. Именно эта длина волны модулируется сигналом. Таких несущих модулированных волн набирается несколько, они мультиплексируются в одно волокно и в виде такого набора засылаются по волокну. Удобно и эффективно. Выделяют технологию CWDM (coarse wavelength division multiplexing), позволяющую организовать до 16 каналов по паре волокон или до 8 по одному, и DWDM (dense wavelength division multiplexing), имеющую гораздо больший потенциал в уплотнении. Суть CWDM и DWDM схожа, основная разница лишь в частотном плане. По приведенным ссылкам наличествует отличное описание обеих технологий.

Трансконтинентальные и магистральные каналы связи имеют очень высокую степень агрегированности и спектрального уплотения. Сети уровня городов и областей обычно ограничиваются агрегированностью до 10-40Гбит/с на канал с уплотнением до 10-15 каналов и обходятся обыкновенными трансиверами, но бывают и исключения. А вот сети районов редко выходят за рамки простой технологии CWDM со скоростями до 10Гбит/с на канал. Что касается домов, то разводка по подъезду чаще всего осуществляется уже медным кабелем. В подъездный маршрутизатор входит оптика, а из него по квартирам расходится витая пара.

Какими бы хорошими волокна ни были, затухание, пусть и малое, присутствует. Свет в волокне ослабляется. Пройдя расстояние 80км, свет затухнет приблизительно на 20дБ — в 100 раз, это без учета потерь на соединениях, сварках, неоднородностях, мультиплексорах и т.п. Для организации протяженных линий связи необходимо использовать усилители и регенераторы сигнала. Регенератор производит полное оптоэлектронное преобразование, восстановление формы сигнала и его ресинхронизацию (3R-регенерация) с последующим переизлучением в волокно. Они дороги и весьма сложны. Усилители, в отличие от 3R преобразователей, лишь усиливают сигнал, увеличивая их амплитуду, но они значительно проще и дешевле. Еще одно их преимущество: они усиливают сразу все каналы.

Усилители применяются, главным образом, к DWDM системам. Оптический усилитель – это не обыкновенный радиочастотный операционник на микросхеме, ведь полупроводниковая электроника тут не работает. Оптический усилитель, по сути, — это лазер, не имеющей резонаторной области и работающий «в один проход». Существует несколько разных видов таких усилителей, но наиболее распространенные – EDFA, усилители на волокне, легированном эрбием. Если коротко, то активная среда формируется в сердцевине легированного волокна под действием накачки на 980 или 1490нм. Сигнальное излучение, входящее в активную среду, вызывает вынужденную эмиссию фотонов, которые складываются с сигналом, усиливая его. Принцип лазера. EDFA вносят шум, который ограничивает количество применяемых каскадов усиления и требует учета при расчете и проектировании линий связи с усилением.

Про компенсацию дисперсии я уже упоминал. Дисперсионные искажения сигнала накапливаются, искажая и расширяя сигнальные импульсы. Коррекция дисперсии при проектировании протяженных линий связи выполняется с помощью модулей компенсации дисперсии, DCM (dispersion compensation module). Обычно не считают временное расширение импульса, а говорят, что нужно, например «скомпенсировать 40км волокна».
Предварительный расчет ВОЛС сводится к учету всех затуханий по трассе от Tx до Rx и по обратному направлению, учету хроматической дисперсии, учету вносимого усилителями шума. В простейшем случае, если не требуется усиления и компенсации дисперсии, рассчитываются только затухания от Tx до Rx, к ним прибавляется технологический запас в 3-6дБ на «старение» линии и сравнивается с оптическим бюджетом пары трансиверов (приемопередающих модулей), на которых планируется организовывать связь. Если бюджет трансиверов превышает расчетную величину – их можно использовать для организации линии связи. Если расчетная величина больше, то придется подбирать более «мощные» или чувствительные трансиверы или искать альтернативные пути решения вплоть до перехода на усиливаемые длины волн и установки усилителей.

Тема проектирования и расчетов линий связи по оптике очень широка и полна нюансов, ей может быть посвящена не одна статья. Если читателя заинтересуют эти вопросы, я постараюсь ответить на них в будущих публикациях и комментариях.

Я не рассказал подробно о спектральном уплотнении и мультиплексорах, измерительном оборудовании, сварке волокон и изготовлению кабелей, моделированию усилителей, не рассказал об элементной базе и о многом другом, о чем хотел бы поведать. К сожалению, все вместе это не поместится ни в одну статью.

Публикация получилась немного сумбурная и поверхностная. Она носит обзорно-ознакомительный характер, чтобы понять, какие из представленных в ней направлений представляют наибольший интерес для читателей.
Алексей @kimich
карма
15,0
рейтинг 0,0
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (51)

  • +9
    Прекрасная статья, спасибо. Обязательно пишите продолжение.
    Заходите и ко мне в гости, я тоже писал статьи про волокно.
    Скажем, рассказать про дисперсию на пальцах я не осилил, а у Вас всё просто и понятно расписано.
    • +7
      Да, я читал все ваши публикации по этой тематике. Мне понравилось. Во многом из-за вас я и решился на написание своей статьи. Спасибо за отзыв! Буду стараться.
  • +5
    sarcasm: Сложно? На самом деле нет.

    … и после этих слов уже действительно ничего не понятно =)
    • 0
      Это лишь представить визуально трудно, но на самом деле эффект не так уж сложен. Постараюсь этот вопрос рассмотреть подробнее при возможности.
  • 0
    Интересно, спасибо. Если будете еще писать статью расскажите про:
    1 методы соединения волокон (сварки и механическое соединение);
    2 типы коннекторов (ST, LC и т.д.)
    3 пассивное оборудование СКС на оптике
  • +1
    Поправочка. Оконное окно это не кварцевое. Приходилось сталкиваться с кварцевой посудой, так вот первое ощущение — она белоснежная. Бросается в глаза, даже если стекло тонкое. Примерно вот так, кварц слева:
    image
    • 0
      И кварц не зря для ультрафиолета используют. Обычное стекло его поглощает очень интенсивно.
    • 0
      Да, прошу прощения за неточность. Оконные стекла — это, если не ошибаюсь, силикатные натрий-кальциевые стекела. В основе все тот же диоксид кремния, но с добавками. Чистое кварцевое стекло — это SiO2. Оно, действительно, пропускает УФ, в отличие от силикатного, которое его поглощает. Поправьте меня, если я не прав.
  • 0
    Спасибо огромное. Замечательная статья. Я буквально вчера для лабораторных нужд купил на ebay оптоволокно 1.5 мм, но из полимера. Расстояния у меня меньше 15 см, так что затухание не критично. Задача была в раствор ввести пучок света герметично и также вывести уже частично поглощенный. Вопрос в ультрафиолетовой части спектра — будет ли распространяться теоретически по волокну или нет?
    • +1
      Вы ж химик? Так понимаете, что пластиковое волокно — это не кварцевое. Для передачи используют матёрые ИК диапазоны, а УФ это другой конец спектра. Так что берёте источник ультрафиолета и прислоняете одним концом к источнику УФ, а другим к чему-нибудь светящемуся от него. Цинковые белила, люминофоры, керосин, кажется диз топливо, УФ-метки на деньгах, хорошая белёная бумага-проверьте источником, даже ногти несильно, но светятся от УФ. Может быть коэффициент затухания не так уж драматически велик и Вам хватит. Успехов.
      • +2
        Спасибо) проверю на опыте. Фрагмент будет считанные сантиметры. Затухание даже в 5 раз некритично. Мне нужно флуоресценцию раствора вызвать и затем зарегистрировать. Датчик слепой в диапазоне короче 400 нм, так что если поймает излучение — значит свечение раствора из-за Стоксова сдвига. Меня больше интересовало — будет ли UV распространяться внутри волокна из-за своей длины волны. Углы отражения другие уже.

        P.S. Я не химик, я врач) просил сейчас экспериментальной медициной занимаюсь. Тканевая инженерия.
        • 0
          Я уже посмотрел, что Вы врач, извините — это я химик 8)). А по поводу световода — по моему опыту, на несколько сантиметров, при не слишком большом изгибе свет вполне удовлетворительно проводит и гнутая стеклянная палочка, и изогнутая струйка воды, так что сразу не отказывайтесь, если будет получаться плохо, а поиграйтесь с радиусом изгиба, если возможно — в сторону увеличения, естественно.
          • 0
            В моём варианте можно совсем без изгиба. Тут важно за пределы раствора вынести датчик и светодиоды.
            Зубы, кстати, а точнее эмаль светятся шикарным зелёным)
            • 0
              Тут у Вас возникнет морока с тем чтобы собрать свет излучаемый светодиодами и направить в световод. В смысле — только малая часть попадёт в световод. Если у Вас никак не получается проводить измерения в стеклянной кювете с паралельными сторонами (фотометрической), более эффективно направить в световод свет, получится используя не светодиод, а полупроводниковый лазер. На близкую тему я недавно получал консультацию от друга -Физика. Я занимаюсь потихоньку проектированием в 3Д принтерной области(надеюсь что это так).
              • 0
                Кстати, а uv-лазер бюджетный можно купить?
                • 0
                  Так с полпинка не нашёл. Это грозит вылится в трудные поиски. Может через Alibaba.com проще будет попробовать с палочкой, со световодом, а уж потом, если припрёт.
                  • 0
                    Видимо, да. Надо поэкспериментировать.
                • 0
                  Бывают УФ лазеры. Но по поводу бюджетности… Вот небюджетный шикарный полупроводниковый УФ-чик. Торлабсы хорошие штуки лабораторные делают. Ну а бюджетные уже ближе к синему цвету тут. Ну а еще тыц и тыц. Короче, вопрос мощности и длины волны.
                  • 0
                    Я решил остановиться на 3 Вт светодиодах. Типа этого:
                    3W 365nm UV LED ultraviolet LED chip light High Power bead with 20mm pcb
                    Причём можно даже не заморачиваться с охлаждением. Делать короткие вспышки на долю секунды с интервалом и все. Датчик все равно увидит только видимый свет.
                    • 0
                      Так, ну это, видимо, ачх вашего приемника? Т.е. вы им хотите детектировать некое излучение, появление которого вызвано наличием УФ, я правильно понимаю? Опасаюсь, что с этим светодиодом, что вы указали, не получится. Даже если у него действительно пик интенсивности будет на 365нм, он все равно будет светить вам в приемник и засвечивать его, ибо спектр такого СЛД весьма широк и перекроет вам и 400нм, и даже, думаю, 420-430. А вот интенсивность флуоресценции, я так полагаю, будет значительно ниже. Имхо, тут вопрос даже не в потерях, а в перекрытии спектров.
                • 0
                  А вот скажите, уважаемый, зачем вам именно узкополосное излучение? почему именно лазер? УФ светодиод не подойдет? Они дешевле.
                  • 0
                    Согласен. Тут просто высказали идею, что фокусировать из-за параллельности проще. Но, кажется, достаточно мощнее вспышку делать. Даже если 90% по дороге по теряется — не страшно.
                    • 0
                      Пойдемте в личку? Там обсудить, думаю, будет проще. Очень интересный вопрос.
            • +2
              А почему бы Вам не взять кварцевую палочку со с скруглёнными концами концами, посередине алмазом сделать насечку, переломить, потом вставить в стенки сосуда. Один скруглённый конец(собирающая линза) наружу — к нему излучатель света. Второй скруглённый конец — внутрь — он будет собирать свет. Так эффективность повыше будет. Впрочем, можете попробовать оплавить концы своего световода до сферичности. Если я не сошёл с ума, это должно улучшить.
              • 0
                Круто. Надо подумать, спасибо. У меня измерения внутри трубки из полипропилена с внутренним диаметром 13 мм. При этом там течёт раствор.
                • 0
                  Не знаю, как там трубка крепится, но полипропилен также легко дуется как стекло. Пустую трубку нагреть по кругу, раздуть до пузыря и прижать с боков холодными стёклышками до плоского. Только вопрос — полипропилен хоть немного пропускает УФ? Ну или впаивать кварцевые палочки или кусочки волокна. Варианты. Успехов.
                  • 0
                    Он белый и непрозрачный. Для труб холодного водоснабжения. Дешёвый и может принимать нужную форму при нагреве. Я думал в один торец вплавить линзу для фокусировки пучка. А свет подавать через другой конец.
    • +2
      С УФ пока не понятно. Насколько коротковолновый у вас УФ? У вас есть даташит на это волокно? Если я не ошибаюсь, для УФ обычно кварцевые используют. А что касается кварцевых телекомовских волокон, то заточены под ИК в диапазоне 0.8 — 1.6мкм. УФ же достаточно далеко сидит. У телекомовских одномодов отсечка моды будет на 1230-1260нм, свет видимый и УФ у них уже по оболочке идти будет. Я так понимаю, вам для абсорбционной спектроскопии или что-то типа того? В таком случае телекомовские волокна вообще плохо подойдут ввиду малой толщины сердцевины, даже если вы в ик работаете. Там свет будет проходить, главным образом, по оболочке. Максимум — многомод берите. Ввести в раствор вы, может, и введете, но обратно его собрать в волокно — геморрой тот еще. В любом случае чем толще приемное волокно будет, тем лучше и проще. Ваши 1.5мм подойдут, но я сомневаюсь по поводу полимера… Вам же не информацию передавать, если я правильно понял? Еще можете посмотреть в сторону так называемых RGB и UV волокон. Они на видимый и ближний УФ. Но сердцевина у них вообще мизерная: 2-3мкм. Это, или, например, вот это. Для спектроскопии, имхо, так себе.
      Скорее всего, вам нужно вот такое или такое. Опишите задачу более подробно, я постараюсь помочь с решением. Можно в личку. Надеюсь, с вашим волокном все получится.
      • 0
        Спасибо за ответ. Купил вот это:
        Товар: 2m Fibre Optic — Light Guide — 1.5mm dia

        URL: pages.ebay.com/link/?nav=item.view&id=360863247329&alt=web

        Даташит запросил, пока не ответили. Изначально планировалось измерение поглощения только в зоне видимого спектра, а потом появилась идея оценить ещё и флюоресценцию. Волокно нужно, чтобы датчик не макать прямо в зону реакции. Это возможно, но много возник с изоляцией контактов, куча эпоксидной смолы и вообще не аккуратно будет.
        Длина волны UV предполагается 365 нм.
        • +2
          Ну, при такой длине световода, думаю, даже УФ как-то пролезет, тем паче что он не такой уж и короткий. Даташит был глянуть… Если вы эту идею развивать станете дальше, то рациональней будет взять какой-нибудь пачкорд для спектроскопии в видимом и уф диапазоне. Они и у нас, в России продаются. Вы посмотрите какие сочные широкополосные кабелюки!
          • 0
            Кабели шикарны, да. Но на данный момент это прототип слепленный из палок, трубок, эпоксидки, датчиков с ebay и Arduino) Для начала хочется грубо, с большими погрешностями проверить работоспособность.
            • +1
              Я прям представил эту штуку. Здорово! Удачи вам! Если возникнут вопросы по волокну, подводу излучения и спектроскопии, смело обращайтесь! Интересуюсь этим весьма и готов помочь. Да и по работе занимаюсь чем-то близким.
              • 0
                Спасибо.) Обязательно, если появятся вопросы.
      • 0
        Ответил продавец. Оргстекло это. полиметилметакрилат. Для УФ оно действительно прозрачно.
        • 0
          Ну, стало быть, вопрос решился на данном этапе. Успехов!;)
          • 0
            Инфракрасный спектр режет, кстати) но мне это не принципиально.
  • 0
    Однако все эти волокна конструктивно объединяет одно: у них есть светонесущая сердцевина (core) с бОльшим показателем преломления и оболочка (cladding) с меньшим показателем преломления. За счет этого достигается эффект ПВО.

    Не совсем так — многослойное (а также с плавным изменением показателя преломления) оптоволокно делают для защиты от мелких повреждений, а не для того чтобы ПВО работало. Отражение будет даже более эффективным, т.к. разница кварц-воздух больше чем оболочка-воздух или кварц-оболочка. Но в таком случае из за малейших дефектов поверхности ПВО будет нарушаться и светопередача существенно ухудшится:

    • 0
      Ступенчатая и градиентная структура в телекомовских волокнах делается только для создания разности показателей преломления, для образования ПВО. Одномодовые стандартные волокна слабонаправляющие и имеют dn во втором-третьем знаке после запятой! Для защиты от микротрещин используется полимерное покрытие уже поверх стеклянной оболочки. Одномодовый режим работы и обеспечивается малой разностью показателей преломления. Да и в многомодовых волокнах dn рассчитывается и формируется исходя из параметров излучения и дисперсии. Сильно повысить dn означает наплодить кучу мод и угробить сигнал. Если бы, например, в сердцевине было бы 1.7, а в оболочке 1.5, то при тех же геометрических размерах волокно было бы уже оооочень многомодовым — обычным световодом. Я не знаю откуда вы взяли эту картинку, она очень сомнительно иллюстрирует реальное положение дел — можете представить источник? Форма профиля показателя преломления всегда рассчитывается очень точно, чтобы обеспечить нужные параметры распространения волн. Как думаете, не было бы проще вытягивать волокно из обычной однородной стеклянной болванки и просто покрывать полимером для защиты и формирования волновода, без эпитаксии из газовой фазы? Почему-то так не делают. Существуют, конечно, волокна с полимерной оболочкой и без подложки из слоя стекла. В этом случае оболочка и от трещин защищает, и световод формирует. Но такие волокна редко применяются даже в лабораториях для спектроскопии.
  • +2
    Спасибо за статью.

    Только маленькое дополнение. Всё-таки, кроме оптоволкна для связи нужны и лазеры, которые и генерируют сигналы. Так вот, хотя оптоволокно в России, действительно, изготавливают только узкоспециализированное, с лазерами ситуация совсем другая. Один из крупнейших в мире производителей лазеров — IPG Photonics — создана и возглавляется академиком РАН В. В. Гапонцевым, а одно из подразделений этой компании «ИРЭ-Полюс» располагается в России и является одним из мировых лидеров по производству мощных волоконных лазеров.

    Ну и исследовательская деятельность в этой области в России находится на очень высоком уровне. Вот, например, буквально на днях в Nature Communications вышла статья, одним из соавторов которой является профессор МГУ А. М. Желтиков.
    • 0
      Я знаком с ИРЭ-Полюс по работе. В статье про лазеры не говорилось. Если бы говорилось — IPG Photonics уделялось бы далеко не последнее место! Тут вы правы, лазеры (не только волоконные, но и полупроводниковые), они делают замечательные. А еще лазерами Физтех Питерский занимается, если не путаю ничего. Да и в Военмехе твердотельники и химические делаются. Я и не говорил, что с лазерами у нас в стране все плохо! ;)
      • 0
        А еще лазерами Физтех Питерский занимается, если не путаю ничего. Да и в Военмехе твердотельники и химические делаются.

        Ещё и у нас в Нижнем Новгороде. В ИХВВ РАН тянут волокно, а в ИПФ РАН делают лазеры.

        Я и не говорил, что с лазерами у нас в стране все плохо! ;)

        Поэтому моя реплика и была дополнением, а не исправлением :) Просто не хотелось бы, чтобы у читателей возникло впечатление, что с волоконной оптикой у нас всё плохо. На самом деле, это, пожалуй, одна из самых процветающих наукоёмких областей в России.
        • 0
          Соглашусь. Во всяком случае, действительно, что-то реально делается. А в условиях санкций, думаю, делаться будет и более интенсивно. Финансирования бы туда еще побольше…
  • +4
    Столько комментариев и никто не обратил внимание на отвратительную картинку спектра затухания в волокне. Абсолютные значения и даже форма кривой не соответствуют реальности. Такое ощущение, что её рисовали от руки. L-band потрачен потерян. В районе 1400 нм затухание >20дБ/км ?! Даже у самого первого коммерческого одномодового волокна было около 6дБ/км. Затухание на 1310нм уже давно около 0.3дБ/км, на 1510нм меньше 0.19дБ/км. Вот хорошая картинка в исторической ретроспективе. Вот ещё одна хорошая картинка, на которой показано, что определяет такую форму спектра затухания.
    • 0
      Согласен с вами, картинка в статье неточная. Отображает лишь общую картину, но мне она показалась более наглядной. По вашим ссылкам лучше. Если позволите, вынесу в статью.
    • +3
      Константин, вы бы уж сами что ли какой-нибудь пост написали, а то даже плюсик в карму не ткнуть.
  • 0
    Не подскажете, есть ли в природе волновод для миллиметровой волны?
    • 0
      Это сотни гигагерц, если в частоте… Этот волновод, видимо, будет в виде трубки. Вот на Вики статья.
      • 0
        Посеребряной изнутри.
  • 0
    Спасибо, статья отличная. ИМХО для хабра.
  • 0
    Алексей, спасибо за статью, прочёл с огромным интересом.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.