Волоконно-оптическая линия связи

Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) — это система передачи информации, в которой сигнал распространяется по оптическому волокну (световоду) в виде модулированного электромагнитного излучения оптического диапазона (обычно ближнего инфракрасного). ВОЛС относится к классу направляющих систем электросвязи и является основой современной магистральной, городской и внутриобъектовой инфраструктуры передачи данных, обеспечивая наибольшую пропускную способность и дальность связи среди всех существующих кабельных технологий.

История

Ранние этапы и теоретические основы

Идея передачи света по прозрачным средам восходит к XIX веку. В 1870 году английский физик Джон Тиндаль продемонстрировал, что свет может распространяться по изогнутой струе воды, следуя принципу полного внутреннего отражения. В 1880 году Александр Грэм Белл запатентовал «фотофон» — устройство для передачи голоса с помощью отражённого солнечного света, однако практическая реализация была ограничена атмосферными помехами.

Ключевой теоретический прорыв произошёл в 1966 году, когда Чарльз Као и Джордж Хокэм из Standard Telecommunication Laboratories (Великобритания) опубликовали работу, в которой показали, что основным препятствием для передачи света по стеклянным волокнам является наличие примесей, вызывающих затухание сигнала. Као предсказал, что при снижении потерь до 20 дБ/км (децибел на километр) волокно станет пригодным для телекоммуникаций. За эту работу в 2009 году Чарльз Као получил Нобелевскую премию по физике.

Разработка первых волокон

В 1970 году сотрудники компании Corning Glass Works (США) Роберт Маурер, Дональд Кек и Питер Шульц создали первое оптическое волокно с затуханием 17 дБ/км, легированное титаном. В том же году в лаборатории компании Bell Labs (США) был изобретён полупроводниковый лазер, способный работать непрерывно при комнатной температуре, что решило проблему источника излучения.

Промышленное внедрение

Первая коммерческая волоконно-оптическая система связи была введена в эксплуатацию в 1977 году в Чикаго (США) компанией AT&T. Она работала на длине волны 0,85 мкм с использованием многомодового волокна и обеспечивала скорость 45 Мбит/с. В 1980-х годах началось активное строительство подводных ВОЛС (например, TAT-8, 1988 год), соединивших континенты. В России первая магистральная ВОЛС между Москвой и Санкт-Петербургом была введена в строй в 1993 году.

Устройство и принцип действия

Элементы ВОЛС

Типовая волоконно-оптическая линия связи включает три основных компонента:

Передатчик — источник оптического излучения (светодиод или лазерный диод), преобразующий электрический сигнал в модулированный световой поток.
Оптическое волокно — среда распространения, состоящая из сердцевины (core) и оболочки (cladding) с разными показателями преломления.
Приёмник — фотодетектор (обычно на основе фотодиода), преобразующий оптический сигнал обратно в электрический.

Дополнительно в состав ВОЛС входят:

Оптические соединители (коннекторы) — устройства для стыковки волокон (типы SC, LC, FC, ST).
Сплайсы (сварные соединения) — неразъёмные соединения, выполняемые методом сварки.
Оптические усилители (EDFA — Erbium-Doped Fiber Amplifier) — устройства, усиливающие оптический сигнал без преобразования в электрический.
Мультиплексоры/демультиплексоры (WDM) — устройства для объединения нескольких оптических сигналов разных длин волн в одном волокне.

Принцип распространения света

Основой работы ВОЛС является полное внутреннее отражение. Световой луч, введённый в сердцевину волокна под углом, меньшим критического, многократно отражается от границы раздела сердцевина-оболочка, не выходя за её пределы. Это возможно благодаря тому, что показатель преломления сердцевины (n₁) немного выше показателя преломления оболочки (n₂). Разница составляет обычно 0,01–0,02.

Классификация

По типу волокна

Многомодовое волокно (MMF — Multi-Mode Fiber):

Диаметр сердцевины: 50 или 62,5 мкм.
Диаметр оболочки: 125 мкм.
Распространяется несколько мод (траекторий) света, что приводит к модовой дисперсии — уширению импульса.
Используется с источниками на 850 нм и 1300 нм.
Применяется на коротких расстояниях (до 2–5 км), в локальных сетях (LAN), центрах обработки данных.

Одномодовое волокно (SMF — Single-Mode Fiber):

Диаметр сердцевины: 8–10 мкм.
Диаметр оболочки: 125 мкм.
Распространяется только одна мода (основная), что практически устраняет модовую дисперсию.
Используется с лазерными источниками на 1310 нм и 1550 нм.
Обеспечивает наибольшую дальность (до 100 км и более без регенерации) и пропускную способность.

По конструкции кабеля

Свободная трубка (loose tube) — волокна свободно уложены в полимерные трубки, заполненные гидрофобным гелем. Используется для наружной прокладки.
Плотный буфер (tight buffer) — волокно покрыто прочной полимерной оболочкой. Применяется внутри помещений и в шнурах.
Ленточный (ribbon) — несколько волокон (до 12) объединены в плоскую ленту. Удобен для массовой сварки.

По назначению

Магистральные — для соединения городов и стран, работают на одномодовом волокне.
Городские (метро) — для колец и сетей доступа.
Абонентские (FTTx) — для подключения конечных пользователей (FTTH — до дома, FTTB — до здания).
Подводные — для трансокеанских линий, имеют усиленную броню.

Характеристики

Затухание

Затухание оптического сигнала (α) измеряется в дБ/км и определяется:

Собственными потерями — релеевское рассеяние (обратно пропорционально λ⁴), инфракрасное поглощение.
Примесными потерями — поглощение на ионах гидроксила (ОН⁻) и переходных металлов.
Микроизгибами — деформация волокна при изготовлении или прокладке.

Современные одномодовые волокна имеют затухание 0,18–0,22 дБ/км на длине волны 1550 нм и 0,32–0,35 дБ/км на 1310 нм.

Дисперсия

Модовая дисперсия — характерна только для многомодовых волокон, вызвана разным временем прохождения мод.
Хроматическая дисперсия — зависимость скорости распространения от длины волны. Для одномодовых волокон на 1310 нм близка к нулю, на 1550 нм составляет около 17 пс/(нм·км).
Поляризационная модовая дисперсия (PMD) — различие скоростей ортогональных поляризационных мод.

Полоса пропускания

Произведение длины линии на скорость передачи (BL-произведение) для одномодового волокна может достигать десятков Тбит/с·км при использовании спектрального уплотнения (WDM).

Применение

Телекоммуникации

Магистральные сети — ВОЛС являются основой глобальной сети Интернет. По подводным кабелям передаётся более 99% межконтинентального трафика.
Сети доступа — технологии FTTx (FTTH, FTTB, FTTC) обеспечивают широкополосный доступ в Интернет для абонентов.
Мобильная связь — соединение базовых станций с транспортной сетью (backhaul).

Промышленность и транспорт

Системы управления — ВОЛС используются на объектах с высокими электромагнитными помехами (металлургия, химическая промышленность, электростанции).
Железнодорожный транспорт — передача данных для систем сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ).
Авиация и космос — бортовые системы связи, телеметрия.

Медицина

Эндоскопия — гибкие световоды для передачи изображения внутри тела.
Лазерная хирургия — доставка мощного лазерного излучения к месту операции.

Оборонная и специальная техника

Скрытые линии связи — высокая защищённость от перехвата и помех.
Гидроакустические системы — волоконно-оптические датчики давления и температуры.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокая пропускная способность — теоретический предел для одного волокна превышает 100 Тбит/с.
Малое затухание — позволяет передавать сигнал на десятки километров без регенерации.
Электромагнитная совместимость — отсутствие излучения и восприимчивости к помехам.
Гальваническая развязка — волокно не проводит электрический ток, что исключает искрообразование и поражение током.
Малые габариты и вес — кабель с 48 волокнами имеет диаметр около 10 мм.
Высокая защищённость от несанкционированного доступа — ответвление сигнала вызывает заметное увеличение затухания.

Недостатки

Высокая стоимость активного оборудования — лазерные передатчики и фотоприёмники дороже медных трансиверов.
Сложность монтажа — требуется специальное оборудование (сварка, скалыватели, измерители) и высокая квалификация персонала.
Хрупкость волокна — стекло чувствительно к изгибам (радиус изгиба не менее 10–20 диаметров кабеля) и механическим нагрузкам.
Сложность ремонта — повреждённый участок требует сварки или замены кабеля.
Ограниченная мощность источника — высокие мощности могут вызвать нелинейные эффекты (вынужденное рассеяние Бриллюэна, четырёхволновое смешение).

Перспективы развития

Основные направления развития ВОЛС включают:

Спектральное уплотнение (WDM) — использование сотен каналов с разными длинами волн, что позволяет достичь пропускной способности в десятки Тбит/с на одно волокно.
Пространственное мультиплексирование (SDM) — применение многожильных волокон (MCF — Multi-Core Fiber) или волокон с поддержкой нескольких мод (FMF — Few-Mode Fiber).
Квантовая связь — передача квантовых состояний фотонов для создания абсолютно защищённых каналов.
Фотонно-кристаллические волокна — структуры с периодическими воздушными отверстиями, обеспечивающие уникальные дисперсионные свойства и возможность передачи света в полой сердцевине.

Источники

Као К. Ч., Хокэм Дж. А. Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies // Proceedings of the Institution of Electrical Engineers. — 1966. — Vol. 113, № 7. — P. 1151–1158.
Agrawal G. P. Fiber-Optic Communication Systems. — 4th ed. — Wiley, 2010. — 626 p.
Keiser G. Optical Fiber Communications. — 5th ed. — McGraw-Hill, 2013. — 672 p.
Соколов А. В., Соколов В. А. Волоконно-оптические линии связи: учебное пособие. — М.: Горячая линия – Телеком, 2018. — 320 с.
ITU-T Recommendation G.652: Characteristics of a single-mode optical fibre and cable. — International Telecommunication Union, 2016.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →