17.3. ЦИФРОВЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

17.3.1. Системы первого поколения

Волоконно-оптические системы связи первого поколения — это такие системы, в которых используются многомодовое градиентное волокно, полупроводниковый лазер на GaAs или светодиод в качестве источника излучения и кремниевый лавинный фотодиод в качестве фотодетектора. Во многих странах были созданы подобные экспериментальные системы связи, используемые в качестве неотъемлемых участков действующей телефонной сети. Другими словами, волоконные кабели были проложены по обычным телефонным трассам, соединялись

с помощью разъемов или монтировались на столбах, в тех местах, где это обычно делается. С помощью таких линий обычно осуществляют реальный обмен информацией. Ниже мы приведем несколько примеров волоконно-оптических систем связи и их технические характеристики. В рабочих условиях эти характеристики должны составляться традиционно, чтобы обеспечить допуски на ухудшение параметров компонентов в результате неблагоприятного воздействия окружающей среды и старения аппаратуры. Следовательно, надо устанавливать значения параметров для «худшего случая», а не для «лучшего», который при лабораторных испытаниях часто называют «номинальным» или «типичным». По современным стандартам можно ожидать, что реальное затухание у лучших градиентных волокон лежит в области а среднеквадратическое уширение импульса, вызванное межмодовой дисперсией, должно составлять не более Для легированного кварца на длине волны 0,85 мкм параметр материальной дисперсии — 0,025. Если используется лазерный источник . среднеквадратическая дисперсия материала равна что дает полную дисперсию а произведение скорости передачи данных на расстояние составит приблизительно Если источником излучения служат светодиод дисперсия материала ограничивает произведение скорости передачи данных на расстояние до без учета дисперсионных потерь.

В США фирма Bell Laboratories разработала систему, базирующуюся на стандарте третьего Уровня цифровой иерархии США (DS3; 44,7 Мбит/с). Система была изготовлена фирмой называется оптической цифровой федеральной системой связи и предназначена, главным образом для использования в столицах и крупных городах, В 1976 г. она была установлена в Атланте и в Джорджии, а в 1977 г. в Чикаго. В этой экспериментальной оптической системе связи использованы следующие элементы: градиентное волокно с диаметром сердцевины 50 мкм и с диаметром оболочки которое сгруппировано в виде кабеля ленточной структуры, описанного в § 4.2, с 12 волокнами в ленте и до 12 лент в кабеле. Волокна соединяются с помощью ленточного разъема на основе кремниевого чипа с вытравленными -образными канавками. Отдельные волокна можно соединять с помощью биконического пластмассового разъема, аналогичного изображенному на рис. 4.10. Обычно используется лазерный источник излучения на GaAlAs, уровень смещения которого регулируется с помощью опической обратной связи, как описано в § 11,2.

На длине волиы можно ввести в волокно излучение мощностью Распределение мощности для этой системы приведено В табл. 17.2. Фотоприемник — кремниевый ЛФД. Используется обычное двоичное кодирование передаваемой информации. Если максимально допустимое затухание в волокне принять равным 5 дБ/км и учесть потери на соединения порядка 1 дБ/км на стыках (т. е. два соединения на километре дают по потерь каждый), то запас мощности в позволяет устанавливать ретрансляторы на расстоянии

Таблица 17.2. (см. скан) Распределение мощности для федеральной системы связи при различных источниках излучения

При усовершенствованной технологии изготовления волокна без существенного увеличения его стоимости, можно установить максимальный допуск на потери в для уложенных и соединенных кабелей. Это позволит увеличить расстояние между ретрансляторами до 10 км. Чтобы уменьшить межмодовую дисперсию до требуемого уровня, необходимо использовать волокна с хорошо подобранным профилем показателя преломления. Однако вновь может оказаться, что введение необходимых допусков на профиль показателя преломления не приведет к значительному удорожанию волокна. При дальности передачи произведение скорости передачи данных на расстояние равно а при дальности В этих случаях ни межмодовая, ни материальная дисперсии не будут иметь существенного значения, если использован лазерный источник излучения. Если в качестве источника излучения служит СД, например, на более коротких линиях, то при распределении мощности необходимо учесть дисперсионные потери. В приведенной таблице они равны Тогда при полном затухании следует располагать ретрансляторы на расстоянии а при затухании на расстоянии

На рис. 17.1 изображена схема Федеральной системы связи длиной для Сити, которая соединяет с Манхеттеном. Это одна из нескольких аналогичных оптических систем связи, которые будут созданы. Кроме того, на ее основе планируется создание междугородной оптической линии, которая свяжет Бостон с Вашингтоном.

В 1977 г. в Великобритании созданы и включены в состав стандартной телефонной сети две экспериментальные ВОЛС с информационной пропускной способностью На одной из них, длиной установлены два ретранслятора, а другая длиной не имела

Рис. 17.1. (см. скан) Схема разрабатываемой федеральной оптической системы связи для Нью-Йорк Сити.

ретрансляторов. В обеих BOЛC используются полосковые лазерные источники излучения с двойной гетероструктурой на GaAlAs, градиентное волокно и кремниевые ЛФД в качестве фотоприемников. Однако эти элементы были изготовлены разными фирмами, выбраны разные типы усилителей приемников и использованы различные двоичные коды с целью ограничения максимального числа передаваемых последовательностей единиц и нулей, На ВОЛС длиной 9 км, соединяющей Хитчин со Стевенеджем, использован усилитель с обратной связью на кремниевом биполярном плоскостном транзисторе. Один бит четности вводился через каждые 17 бит сигнала, увеличивая, таким образом, скорость оптической передачи с 139, 264 до 147, 456 Мбит/с. Чувствительность приемника без учета дисперсионных потерь составляла — 49 дБм. На этой линии, удлиненной на 3 км, она составила — 46 дБм. На ВОЛС длиной 5,75 км, соединяющей Мартлесхам с Кесгрейвом и

принадлежащей Британской почтовой службе (ВРО), был использован интегрирующий усилитель на полевом транзисторе с барьером Шотки из ни да галлия, имевший входное сопротивление и входную емкость

В данном случае использовался -разрядный балансный код с контролем по нечетности, что повышало скорость оптической передачи сигнала до Чувствительность приемника была лучше — 43 дБм. Потери имевшихся в то время и использованных в экспериментальных линиях волокон составляли Дисперсия изменялась в еще большем диапазоне. Благодаря последующим усовер шенствованиям технологии изготовления волокон были уменьшены средние значения потерь и дисперсии, и теперь они меньше изменяются от волокна к волокну.

Распределение мощности для этих экспериментальных ВОЛС приведено в табл. 17.3. При общих потерях около учитывающих и потери на соединение кабелей, можно удовлетворительно осуществи лять связь на линиях без ретрансляторов длиной Это было подтверждено экспериментально путем удлинения линии с помощью наматываемого на барабан волокна на одной из оконечных станций и снятия одного из ретрансляторов на линии длйной Распределение мощности показывает, что -километровая линия потребовала бы использование волокна, общие потери которого с учетом потерь на прокладку и соединение кабеля были меньше а его дисперсия лучше, чем Вероятно, на практике информационную пропускную способность таких ВОЛС будет ограничивать межмодовая дисперсия, причем длина линий без ретрансляторов составит

Одновременно с экспериментальной ВОЛС, обеспечивающей скорость передачи данных Британская почтовая служба в настоящее время она называется British Telecom) ввела в действие экспериментальную ВОЛС с информационной пропускной

Таблица 17.3. (см. скан) Распределение мощности для оптической системы связи с информационной пропускной способностью использующей в качестве источника излучения лазер на двойной гетероструктуре, работающий на длине волны и кремниевый ЛФД в качестве фотодетектора

Таблица 17.4. (см. скан) Распределение мощности для волоконно-оптической системы связи к информационной пропускной способностью 8 Мбит/с При различных источниках излучения

способностью 8 Мбит/с. В ней использовали те же типы волоконно-оптических кабелей и те же тракты передачи, за исключением того, что ВОЛС были удлинены на до группового коммутационного узла в Ипсвиче, в результате чего общая длина линии составила Были использованы как светодиоды, так и лазерные источники, излучающие соответственно на длинах волн 0,82 и В приемнике за фотодетектором на кремниевом ЛФД следовал усилитель с большим входным сопротивлением Чувствительность приемника составила — при использовании светодиодов при использовании полупроводникового лазера, имевшего коэффициент потерь 0,1. Анализ приведенного в табл. 17.4 распределения мощности показывает, что при эксплуатационных потерях можно создавать ВОЛС без ретрансляторов длиной 10 км при использовании светодиодов и длиной если применять лазеры. Требуемые значения дисперсии порядка вполне согласуются с допусками на отклонение в профиле показателя преломления волокна. При использовании светодиодов могут возникнуть дисперсионные потери, если ширина спектральной линии излучения будет слишком большой.

Успешно опробовав эти и другие экспериментальные заказала еще оптического волокна в главным образом, в виде восьмиволоконных кабелей. Это волокно было использовано для изготовленья свыше 100 отдельных ВОЛС, которые были включены на различных участках телефонной сети и имели информационную пропускную способность На одних из этих ВОЛС использовалось излучение на длине волны 1,3 мкм, а на других — одномодовое волокно. Собственно говоря, последние можно было бы назвать системами второго поколения, которые будут рассматриваться в следующем параграфе.

Таблица 17.5. Распределение мощности для волоконно-оптической системы связ с информационной пропускной способностью использующей светодиод, излучающий на длине волны

Все волоконно-оптические системы связи первого поколения использовали в качестве фотодетекторов ЛФД, и большинство из них требовали лазерных источников излучения. Несмотря на то, что замена лазера светодиодом, а ЛФД p-i-n-фотодиодом приведет к созданию более дешевой, простой и надежной системы, предельно допустимые потери по мощности при этом составят и для СД и дополнительно при использовании -фотодиода. Дальность связи становится критически зависящей от потерь в волокне, а при большей пропускной способности она ограничивается материальной дисперсией. В Риме была введена в строй ВОЛС без ретранслятора длиной с информационной пропускной способностью использующая светодиоды в качестве источника излучения. В них было учтено меньшее затухание и рассеяние на более длинных волнах при применении светодиодов на GaAlAs, излучающих на длине волны при ширине спектральной линии Чувствительность оптического приемника этой ВОЛС, состоящей из фотодетектора на кремниевом ЛФД и трансимпедансного усилителя, составила — (без учета дисперсионных потерь). Распределение мощности, приведенное в табл. 17.5. показывает, что для ВОЛС длиной общие допустимые потери в волокне с учетом потерь на соединения не должны превышать

17.3.2. Системы второго поколения

Волоконно-оптические системы связи второго поколения делятся на две категории: системы, использующие многомодовое волокно и работающие в области 1,3 мкм, соответствующей минимальной материальной дисперсии и, системы, в которых применяется одномодовое волокно на одной из длин волн, обеспечивающих минимальное затухание. Преимущество этих систем перед системами связи первого поколения состоит в возможности существенного увеличения расстояния между ретрансляторами, что и стимулирует разработку длинноволновых

Рис. 17.2. Зависимость полного запаса мощности оптической системы связи от ее информационной пропускной способности. [Взято из статьи D. С. Gloge and Т. Li, Multimodefiber technology for digital transmission - Proc. IEEE, 68, 1267-75 (1980), ©, 1980, IEEE. Верхние кривые характеризуют мощность излучения, которую можно ввести в волокно - от СД и Ннжняя полоса определяет область чувствительности, которая может быть получена при использовании современных приемников.

источников излучения и фотоприемников, а также оптического волокна с низкими потерями. ВОЛС второго поколения получат особое значение в качестве участков протяженных подводных и телефонных линий связи. Ниже кратко анализируются ожидаемые характеристики длинноволновых ВОЛС и некоторые результаты экспериментов, полученные в лабораторных условиях.

На рис. 17.2 показаны запасы мощности в волоконно-оптических системах связи, использующих различные типы источников излучения и фотоприемников. Показано, что мощность, излучаемая длинноволновыми СД и лазерами, будет равна мощности источников излучения на GaAlAs и предполагается, что мощность, которую можно ввести в одномодовое волокно, будет лишь незначительно меньше мощности, вводимой в многомодовое волокно от лазера. Полагают, что показанная на рисунке нижняя граница диапазона чувствительности оптического приемника соответствует использованию малошумящих усилителей и фотодетекторов на кремниевых ЛФД. Эта чувствительность ограничена дробовым шумом и, следовательно, пропорциональна информационной пропускной способности. Верхняя граница соответствует характеристикам оптического приемника с фотодетектором на -фотодиодах и с малошумящими усилителями на полевых транзисторах. В этом случае чувствительность на более высоких частотах

пропорциональна и в большей степени зависит от шума усилителя и полной входной емкости. Из приведенного на рисунке общего запаса мощности надо вычесть около (потерн на соединение волокон, дисперсию, колебания температуры И ухудшение характеристик элементов, связанное со старением), а также небольшой (около неучтенный запас мощности.

Успех применения длинноволновых многомодовых оптических систем связи в решающей степени зависит от возможности производства градиентных волокон с малыми отклонениями в профиле показателя преломления, минимальной межмодовой дисперсией и умеренной стоимостью. Достоинство такого волокна — реальность создания дешевой, простой и надежной ВОЛС с высокими параметрами при использовании СД в качестве источника излучения и -фотодиода в качестве фотодетектора. Кроме того, многомодовые волокна легче сращивать и соединять между собой и с другими элементами по сравнению с одно-модовыми волокнами. Применение лазерных источников излучения может увеличить информационную пропускную способность и достижимую дальность связи, хотя в этом случае становится проблемой модальный шум. Преимущество использования длинноволновых ЛФД более проблематично. В настоящее время их недостатками являются высокий темновой ток в лавинной области и высокий коэффициент шума, поэтому на длинных волнах они имеют мало преимуществ по сравнению с -фотодиодами или вообще их не имеют.

Многомодовые волокна изготавливаются с уровнем потерь до 0,5 дБ/км на длине волны Однако после их укладки в кабель, сращивания и монтажа потери станут не менее В результате получают приведенные в табл. 17.6 ограниченные затуханием расстояния между ретрансляторами для ВОЛС с различной пропускной способностью. При минимальной дисперсии СД обычно имеют среднеквадратическую ширину спектральной линии излучения в результате произведение ширины полосы пропускания на расстояние равно приблизительно Это значение не должно являться ограничением для данных, приведенных в табл. 17.6. Его можно сравнить со значением материальной дисперсии, типичной для СД на GaAlAs, работающих на длине волны 0,85 мкм и имеющих среднеквадратическую ширину спектральной линии излучения В результате получается предельное значение дисперсии около Таким образом, на длине волны будет иметь место межмодовая дисперсия, определяемая качеством профиля показателя преломления, которая ограничивает полосу пропускания волокна и может снизить предельно-допустимое расстояние между ретрансляторами. На отобранных образцах волокна получали полосу пропускания, равную однако более реально для технических расчетов значение Это не будет ограничением для систем передачи второго и третьего уровней иерархии вплоть до но может стать им на более высоких уровнях. Очевидно, что планируемое в Великобритании расстояние между ретрансляторами 30 км

Таблица 17.6. (см. скан) Расстояния между ретрансляторами и соответствующие произведения информационной пропускной способности на расстояние для ВОЛС, использующих волокна с потерями 1 дБ/км, светодиоды и -фотодиоды

легко получить при информационной пропускной способности а также и Однако для систем с информационной пропускной способностью вероятно, потребуются два промежуточных ретранслятора на линии длиной Остается открытым вопрос, целесообразен ли поиск ВОЛС без ретранслятора в случае использования одномодового волокна.

Одномодовые ВОЛС найдут применение на междугородных линиях с высокой информационной пропускной способностью, а также на подводных линиях связи. Рассмотрим три одна работает в области минимальной материальной дисперсии на длине волны вторая использует волокно, в котором минимум материальной и волнородной дисперсии сдвигается в сторону минимального затухания на длине волны наконец, третья работает в области минимума затухания с лазерным источником излучения, стабилизированным по

Таблица 17.7. (см. скан) Расстояния между ретрансляторами и соответствующие произведения информационной пропускной способности на расстояние для BOЛC, использующих одномодовые волокна с кулевой дисперсией и потерями

Таблица 17.8. (см. скан) Результаты лабораторных исследований передачи сигналов

частоте. Первые две ВОЛС можно рассматривать как одну, поскольку, как показано в § 5.5, для смещения минимума дисперсии в область оптическое волокно должно иметь малый диаметр сердцевины и большую разность показателей преломления. Следовательно,

(см. скан) одномодовым оптическим волокнам

минимальные потери в волокне увеличиваются до т. е. до уровня, который можно получить на длине волны 1,3 мкм с волокнами,

имеющими малую волноводную дисперсию или вообще ее не имеющими. Можно принять затухание для любого типа волокна равным 1 дБ/км с учетом потерь на изготовление кабеля и монтаж. При этом дисперсия составила менее благодаря чему произведение скорости пере дачи на расстояние будет больше вместо ожидаемых Расстояние между ретрансляторами в таких системах связи сведено в табл. 17.7, из которой видно, что дисперсия не должна ограничивать информационную пропускную способность. В лабора торных условиях были получены значительно лучшие результаты, как видно из примечаний 1, 2, и 4 к табл. 17.8.

Третий подход к созданию одномодовых ВОЛС состоит в поиске возможностей получения волокна с минимальным затуханием в диапазоне длин воли где можно снизить потери до Нормируемые потери волокна в данном случае можно уменьшить до Как было показано в § 5.5, следует ожидать, что параметр полной материальной дисперсии лежит в области значений так что при нормальной спектральной ширине излучения лазерного источника дисперсия волокна ограничит произведение скорости передачи на расстояние значением Однако можно создать лазер, стабильно работающий в режиме одной продольной моды в течение каждого импульса. Благодаря этому значение произведения информационной пропускной способности на расстояние можно увеличить на один-два порядка. Для реализации этого пытались использовать лазерные структуры с распределенной обратной связью, а для управления режимом работы лазера применяли внешнюю оптическую обратную связь. Если таким путем устранить дисперсионные ограничения, то снижение затухания увеличит вдвое расстояние между ретрансляторами по сравнению с данными табл. 17.7. В примечаниях 3 и 5 к табл. 17.8 суммируются результаты последних лабораторных экспериментов, в которых удалось достичь передачи сигналов без ретрансляторов более чем на Одномодовая ВОЛС без ретранслятора длиной будет создана в рамках программы разработок волоконно-оптических систем связи фирмы British Telecom.

17.3.3. Другие применения

До сих пор мы рассматривали только возможности использования ВОЛС в телефонной сети общего пользования. Однако есть и другие потребители, которым по различным причинам может не подходить телефонная сеть общего пользования, но могут подойти ВОЛС. Например, банки и другие финансовые учреждения могут пожелать введения собственной систейы связи с целью сохранения независимости и обеспечения своей безопасности. Кроме того, руководителям радиовещательных систем может потребоваться контроль за содержанием передаваемой программы на участке между студией и передатчиком. В Великобритании для использования в этих целях телефонной сети общего пользования необходимо получить специальное разрешение, причем по

этим техническим характеристикам она вполне подходила бы для этого. Однако если было бы официально разрешено создавать свои собственные каналы связи, они предпочли бы сделать это.

В двух рассматриваемых ниже случаях применения более вескими причинами поиска независимости от телефонной сети общего пользования являются технические. Речь идет о системах связи для управления службами электроснабжения и железными дорогами. Заметим, что в девятнадцатом веке необходимость обеспечения безопасности на железных дорогах послужила важным стимулом для развития злектрического телеграфа. Эффективность работы этих служб всецело зависит от скорости и надежности передачи информации на большие расстояния в условиях воздействия помех для обеспечения удовлетворительной работы соответствующих систем. В них с самого начала проводилось активные эксперименты с оптическими волокнами. Колея электрофицированной железной дороги — источник не только значительных электромагнитных помех и паразитных контуров с замыканием через землю, но и значительных колебаний температуры. Линии электропередачи образуют естественную трассу для линий связи, однако опять-таки электроизоляция и отсутствие помех является главным преимуществом ВОЛС. Японские компании разработали ряд волоконно-оптических систем, используемых для защиты энергетических систем, наблюдения и контроля, а также обмена информацией между ЭВМ. Проектируются ВОЛС длиной до 10 км с информационной пропускной способностью 30 Мбит/с и более. В Великобритании созданы экспериментальные ВОЛС, в которых волоконный кабель или подвешен на расстоянии от обратного провода заземления балансированных шестифазных линий электропередачи, или находится внутри него. В данном случае, вероятно, будет важна способность оптического волокна выдерживать механические и вибрационные нагрузки. Руководящие органы (энергетики и железных дорог не в состоянии окупить разработки ВОЛС, но они должны способствовать их общему развитию.