4.5. СРАВНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОННЫХ ЛИНИЙ С ОБЫЧНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ЛИНИЯМИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Цель настоящего параграфа состоит в анализе практических результатов той теории, которая была изложена в предыдущих параграфах, оценке эффективности различных BOЛC и их сравнении с обычными каналами связи. Необходимая для этого информация содержится на рис. 4.12, где приведены зависимости потерь от частоты для некоторых характерных направляющих систем, используемых для передачи информации.

С точки зрения пользователя важным отличием оптических волокон от таких линий связи, как воздушные, симметричные и коаксиальные, а также волноводы, являются независимость затухания в волокне от ширины спектра сигнала. Частично это объясняется тем, что все оптические передатчики — это всего лишь широкополосные источники шума, с которыми мы уже сравнивали искровые радиопередатчики, использовавшиеся для радиосвязи в начале нашего столетия. При цифровом способе передачи информации они лишь включаются и выключаются! Однако важным моментом здесь оказывается то обстоятельство, что ширина спектра сигнала в оптическом передатчике мала по сравнению с областью размытия частот источника излучения.

Затухание воздушной (1) и симметричной (2) линии связи прямо пропорционально корню квадратному из частоты. (Приведенные в скобках цифры относятся к кривым на рис. 4.12.) На высоких частотах это увеличение затухания обусловлено поверхностным эффектом. В коаксиальных кабелях вклад в затухание вносят потери в диэлектрике, пропорциональные частоте, но обычно незначительные по величине, за исключением области самых высоких частот. Омические потери в проводниках, которые пропорциональны корню квадратному из частоты, обычно оказываются преобладающими. Полное выражение для затухания в коаксиальном кабеле имеет вид

(кликните для просмотра скана)

где и с имеют свое обычное значение; диэлектрические потери; а — электрическая проводимость проводников; а — наружный диаметр внутреннего проводника; внутренний диаметр наружного проводника. Предполагается, что всюду используются единицы

Если преобладает второе слагаемое, то затухание изменяется обратно пропорционально диаметру кабеля. На это указывает и рис. 4.12, где приведены частотные характеристики затухания для двух -омных кабелей с полиэтиленовой изоляцией также аналогичная кривая для 75-омного кабеля (5), шкроко используемого в линиях связи на большие расстояния. Размеры кабелей даны в табл. 4.1. Сравнительно низкие потери достигнуты в них благодаря хорошей конструкции и использованию высококачественных материалов.

Кривые (6) и (7) характеризуют расчетное затухание медных прямоугольных волноводов соответственно. Волновод имеет внутреннее сечение и обычно используется в диапазоне частот Внутри этого диапазона отсутствуют типы волн высших порядков и связанная с ними дисперсия. Заметим, что это обеспечивает максимальную ширину полосы частот, занимаемую сигналом, равную Волновод с внутренним сечением обычно работает в диапазоне частот обеспечивая ширину полосы частот, равную

Наконец, кривая (8) дает представление о замечательных свойствах моды распространяющейся в круглом медном волноводе диаметром

Для сравнения там же приведены не зависящие от частоты сигнала уровни затуханий. В зависимости от типа волокна они могут быть менее 1 дБ/км или более Высококачественные, не содержащие воды кварцевые оптические волокна могут использоваться в диапазоне длин волн при общем уровне потерь менее 1 дБ/км.

Вероятно, что на длинных трассах на длине волны 0,85 мкм уровень потерь в этих волокнах составит 2 ... 5 дБ/км. У более дешевых волокон, изготавливаемых из боросиликатного или свинцового стекла, а также в волокнах с кварцевой сердцевиной и полимерной оболочкой он может возрасти до Использование таких волокон в линиях связи малой протяженности имеет то преимущество, что облегчается прокладка волокна при более высоком значении числовой

Таблица 4.1 (см. скан)

апертуры. Имеющая место исключительно большая дисперсия не играет существенной роли на коротких расстояниях. Для очень коротких линий связи, работающих при умеренной температуре окружающей среды, весьма подходящими и очень дешевыми могут стать полностью пластиковые оптические волокна.

Необходимо указать на малые размеры оптического волокна по сравнению с коаксиальным кабелем и волноводом. Оптический кабель, состоящий всего из одного волокна, имеет диаметр не более 1 мм, а аналогичный кабель диаметром 12,5 мм, как было ранее показано, может содержать свыше 100 оптических волокон. Таким образом, когда расстояние является очень важным фактором, использование оптических волокон может обеспечить передачу гораздо большего количества информации по сравнению с другими средствами. Однако малые размеры оптического кабеля и волокон создают определенные трудности при соединении отрезков кабеля и распределения волокон на его входе и выходе. Там, где удобство замены и измерения характеристик кабеля более важно, чем дальность связи и полоса пропускания, можно рассмотреть возможность использования полимерных волокон или жгутов, стеклянных волокон диаметром . В этом случае возможно также использование одиночных волокон таких же размеров без оболочки, однако они очень неэластичны и весьма чувствительны к изгибам.

На основе рис. 4.12 были сделаны оценки вероятных верхних границ рабочих частот сигналов (информационной пропускной способности канала связи), которые могут быть достигнуты при использовании оптических волокон разных типов: несколько мегагерц — для полимерных волокон; десятки мегагерц — для дешевых стеклянных волокон и жгутов из них; сотни мегагерц — для многомодовых кварцевых волокон, возбуждаемых излучением светодиодов и, наконец, гигагерцы или около этого — для градиентных и одномодовых волокон при возбуждении их излучением полупроводниковых лазеров.

Становится очевидным, что для применений, связанных с передачей информации на короткие расстояния в узкой полосе частот, например при передаче данных внутри оборудования или между блоками системы, достоинство использования оптических волокон связано с такими категориями, как цена, масса, размеры, электрическая изоляция и электромагнитная совместимость. Потери и дисперсия волокна в этом случае сравнительно маловажны. При необходимости передавать информацию на большие расстояния в умеренной или широкой полосе частот использование высококачественных кварцевых волокон с малыми потерями обеспечивает ВОЛС дальнейшие серьезные преимущества над всеми конкурентами, за исключением круглых волноводов, в которых распространяется мода Такие волноводы были объектом серьезных испытаний и имеют интересную историю. Хотя они требуют тщательнопродуманной и сложной конструкции, большой осторожности при сборке и высокой точности при конструировании и изготовлении для обеспечения распространения только моды и эффективного

подавления всех других, тем не менее они успешно прошли эти испытания. Они дороги, однако обладают исключительно высокой информационной пропускной способностью, полностью окупающей их стоимость для телефонных линий по сранению с другими техническими решениями. В настоящее время проблема состоит в целесообразности их использования, поскольку обеспечиваемое волноводами увеличение информационной пропускной способности слишком велико для современных систем связи. Вследствие этого испытания были прекращены и принято решение о постепенном вводе ВОЛС.

ЗАДАЧИ

(см. скан)

РЕЗЮМЕ

Стекло для изготовления оптических волокон может быть получено методом вытягивания из жидкой фазы (тигельным) или методом осаждения из газовой фазы.

Метод двойного тигля обеспечивает непрерывное изготовление ступенчатых или градиентных волокон с потерями менее 5 дБ/км на длине волны 0,85 мкм при полосе пропускания для градиентных волокон свыше 300 МГц/км.

При использовании других методов жидкой фазы и особенно метода осаждения из газовой фазы предварительно получают заготовку (преформу), из которой затем вытягивают отрезки волокна нужной длины.

Наружный процесс осаждения из газовой фазы (OVD) и осевой процесс осаждения из газовой фазы (VAD) позволяют сравнительно быстро получать заготовки больших размеров. В принципе метод VAD может быть приспособлен для непрерывного получения волокна. При этом могут быть достигнуты потери 1 дБ/км и менее в диапазоне длин волн

при минимуме потерь 0,3 дБ/км на длине волны 1,6 мкм.

Модифицированный метод химического осаждения из газовой фазы позволяет получать оптические волокна с самыми низкими потерями и самым тщательным контролем профиля показателя преломления. Так, изготовленные этим методом градиентные волокна имеют минимальные потери на длине волны 1,55 мкм при полосе пропускания более 1 ГГц-км, а минимальные потери одномодовых волокон составляют 0,2 дБ/км на длине волны 1,55 мкм.

Вытягиваемое волокно должно быть немедленно покрыто полимерной защитной оболочкой, а затем опрессовано пластиком.

Оптические волокна необходимо хорошо защищать от воздействия воды, их не следует подвергать резким изгибам или растягивать. Эти соображения должны быть главными при разработке оптического кабеля.

Средние потери на сварное соединение волокон, осуществляемое в полевых условиях, составляют Необходимые для соединения с аппаратурой на входе и выходе ВОЛС разъемные соединительные устройства могут вносить потери порядка

Предложено и разработано много различных способов измерения таких важных характеристик волокна, как профиль показателя преломления, потери, полоса пропускания.

На рис. 4.12 приведены сранительные характеристики ВОЛС и электрических линий передачи различных типов.