Передающие физические среды, используемые в структурированных кабельных системах. Принципы распространения сигналов в средах (стр. 8 из 58)
Потери при инжектировании. Количество оптической мощности, инжектируемой в волокно, зависит от физической природы используемого волокна и эмиттирующего источника. Очевидно, что чем больше диаметр ядра волокна, тем большей способностью к приему света оно обладает. Однако волокна с большими ядрами обладают ограничениями на полосу, что может перевесить преимущества эффективного инжектирования. Изменение в диаметре ядра с 50 до 100 мкм представляет увеличение количества света, инжектируемого в волокно в четыре раза.
Кроме размера ядра, еще одной мерой способности волокна собирать свет является цифровая аппертура (NA). Это математическая мера способности ядра волокна собирать световые волны с разных углов и передавать их по ядру:
NA =,|(я„ - и,2) = sin в - n0 sin вс,
где п0 - показатель преломления ядра, п\ - показатель преломления демпфера, 0 - половина угла сбора волокна, вс- угол входа луча света в волокно.
Большее различие в показателях преломления ядра и демпфера означает большую NA.
При равных размерах ядра волокно с большей NA соберет больше световых волн. Повышение
мощности в два раза достигается переходом NA с 0,20 на 0,29. В табл. 3 скомбинированы
размер ядра и NA в коэффициент оптической абсорбции, который можно рассматривать как
меру эффективности волокна к сбору и передаче оптической мощности.
Таблица 3. Типичные значения цифровой апертуры и коэффициента оптической
абсорбции [24]
| Диаметр ядра волокна, мкм | Цифровая апертура | Коэффициент оптической абсорбции | |
| Относительный* | Отношение в дБ | ||
| 200 | 0,27 | 3,5 | +5,4 |
| 100 | 0,29 | 1,0 | +0,0 |
| 62,5 | 0,275 • | 0,35 | -4,54 |
| 50 | 0,2 | 0,12 | -9,25 |
* Значения нормализованы по отношению к короткому отрезку волокна с ядром 100 мкм
Источники излучения. Оптические эмиттеры инжектируют свет в волокно в соответствии с NA и размером ядра. Использование источника света, не соответствующего NA данного волокна и размеру ядра, приведет к тому, что инжектирование света в систему будет меньше оптимального.
Источники LED относительно недороги, надежны и просты в употреблении, так как их электронная схема менее сложная, чем та, которая требуется для работы лазера. Полупроводниковые лазеры и LED являются прямыми преобразователями энергии из электрической формы в оптическую. LED инжектируют меньшую мощность в волокно, так как оптическое излучение, генерируемое ими, излучается с большим угловым расхождением. Лазеры имеют гораздо более сложную структуру из-за требуемого небольшого размера двусторонних резонаторов. Кроме того, их излучательная способность зависит от температуры, а долговечность меньше, чем у LED. LED, или лазерный, диод может быть смонтирован так, что волоконный кабель непосредственно подсоединяется к корпусу устройства. Возможен альтернативный вариант, когда волокно крепится непосредственно к чипу, а другой его конец оставляется свободным для подсоединения коннектора.
Детекторы. Приемники световых волн используют фотодетекторы, в которых фотоны света генерируют фотоэлектроны. Для достижения заданного минимального значения вероятности ошибки необходимо минимальное среднее количество фотонов в каждом импульсе (например, необходим 21 фотон для обеспечения вероятности ошибки 10~9). Необходимо также значительное усиление. Для лавинного фотодиода (APD) начальное усиление происходит внутри диода. Для PIN-детекторов это усиление осуществляется внешними электронными усилителями.
Выбор волокна. Волокна оптимизированы для работы на определенных длинах волн,
Например, потери менее 1 дБ/км возможно достичь в многомодовом волокне 50/125 мкм,
работающем на длине волны 1300 нм, а потери менее 3 дБ/км (потери мощности - 50%) возможно достичь с тем же волокном, работающим на длине волны 850 нм. Номенклатура 5 (обозначает внешний диаметр ядра 50 мкм и размер демпфера 125 мкм. Благоприятные области передачи в пределах оптического спектра волокна рассматриваются как "окна". Область между 800 и 900 нм расположена в первом окне, между 1100 и 1300 нм - во втором окне, а третье окно существует в области свыше 1550 нм. В этих участках спектра затухание волокон очень низкое. Самый низкий показатель затухания в инфракра области в районе 1300 нм и 1550 нм. Все типы волокон были существенно усовершенствованы так, что самые лучшие из них демонстрируют потери менее 0,5 дБ/км на длине в 1300 нм и 1550 нм. Тем не менее, источники излучения и детекторы для данных областей наиболее дорогие.
Для того, чтобы волокно эффективно работало, выбраный источник должен обеспечивать оптическое излучение определенной длины волны, а детектор должен быть чувствителен к той же длине волны.
В коаксиальных и других металлических кабелях сигналы с очень высокой частой имеют тенденцию к быстрому затуханию с увеличением расстояния (рис. 16). В результате этого усилители и эквалайзеры периодически должны усиливать сигналы до рабочих ypoвней
Однако, каждый раз, когда добавляется аналоговый усилитель, в металлической системе добавляется шум, общее отношение сигнал-шум в системе ухудшается. При использовании оптических средств связи вся световая энергия имеет примерно одну и ту же частоту и длину волны. В результате этого затухание определенной длины волны зависит только расстояния. Поэтому в волоконных системах требования к повторителям минимизированы отпадает необходимость в эквалайзерах.
Таблица 4. Рекомендации по выбору оптического волокна
| Приложение | Скорость передачи данных, Мбод | Магистраль (< 2000 м) |
| 10Base-F | 20 | Многомодовое волокно 62,5/125 мкм, 160/500 МГц |
| Token Ring | 32 | Многомодовое волокно 62,5/125 мкм, 160/500 МГц |
| 100VG-AnyLAN | 120 | Многомодовое волокно 62,5/125 мкм, 160500 МГц |
| 100Base-F | 125 | Многомодовое волокно 62,5/125 мкм, 160/500 МГц |
| FDDI | 125 | Многомодовое волокно 62,5/125 мкм, 160/500 МГц |
| Fibre Channel | 133 | Многомодовое волокно 62,5/125 мкм, 160/600 МГц |
| 266 | Стандартное одномодовое волокно | |
| 531 | Стандартное одномодовое волокно | |
| 1062 | Стандартное одномодовое волокно | |
| Sonet/ATM | 52 | Многомодовое волокно 62,5/125 мкм, 160/500 МГц |
| 155 | Многомодовое волокно 62,5/125 мкм, 160/500 МГц | |
| 622 | Стандартное одномодовое волокно | |
| 1244 | Стандартное одномодовое волокно | |
| 2488 | Стандартное одномодовое волокно |
ATM - Asynchronous Transfer Mode, Sonet Interface - Synchronous Optical Network, FDDI - Fiber Distributed Data
Потери в коннекторе зависят от физического совмещения ядра одного волокна с ядром другого волокна. Царапины и пыль также могут ухудшать качество контактных поверхностей коннекторов и значительно ухудшать работоспособность системы, но чаще всего потери в коннекторах происходят из-за неправильного совмещения осей двух коннекторов или слишком большого зазора между ними.
Требования к работе системы
Процесс разработки системы начинается с определения соотношения сигнал-шум, которое зависит от полосы или скорости передачи данных для данного приложения. Это включает выбор типов сигнала, - аналоговый или цифровой, так как даже простая связь точка-точка требует применения соответствующего оборудования. Задача заключается в том, чтобы определить, какой уровень оптической мощности будет необходим на оптическом детекторе приемника.
Волокно может выполнять как аналоговую, так и цифровую передачу сигнала, что открывает дополнительную возможность для будущего усовершенствования системы путем простой замены электронного оборудования на концах передатчика и приемника. Для этого большинство разработчиков волоконных систем определяют большую пропускную способность полосы по сравнению с минимально необходимой.
Аналоговые сигналы, такие как видео- и аудиосигналы, могут использоваться для непосредственной модуляции оптического сигнала на выходе, заставляя оптический эмиттер увеличивать или уменьшать яркость. Это называется модуляцией интенсивности и является самым простым способом кодирования световых сигналов.
Улучшение в соотношении сигнал-шум и линейности может быть достигнуто путем использования техники частотной модуляции (FM). В этом случае источник информации используется для частотного модулирования поднесущей, а затем полученный сигнал используется для амплитудного модулирования LED или лазера. Из-за материального и межмодального дисперсионного факторов линии FM обычно требуют применения волокна с полосой 200 МГц-км и больше. Короткие безрепитерные линии могут модулироваться с помощью аналогового сигнала. Тем не менее, большинство современных оптических приложений используют цифровую передачу с простой модуляцией "включить-выключить".
Цифровые сигналы. В волоконной оптике цифровой импульс может формироваться путем включения источника на короткий момент. Время оптического излучения - импульс. Двоичное состояние "1" может быть реализовано при наличии в линии оптической мощности, а состояние "О" - при ее отсутствии. Эти два состояния представляют двоичные сигналы. Цифровые сигналы состоят из набора битов и излучатель находится или в состоянии "включен", или в состоянии "выключен".