Волоконно-оптические линии связи

Основные элементы ВОЛС: оптический передатчик, оптический кабель и оптический приемник.

Оптический передатчик обеспечивает преобразование входного электрического (цифрового или аналогового) сигнала в выходной оптический сигнал. При цифровой передаче оптический излучатель передатчика “включается” и “выключается” в соответствии с поступающим на него битовым потоком электрического сигнала. Для этих целей используются инфракрасные светоизлучающие диоды LED или лазерные диоды ILD. Эти устройства способны поддерживать модуляцию излучаемого света с мегагерцовыми и даже гигагерцовыми частотами. Они отличаются между собой шириной спектра излучения.

Рисунок 28 Спектры излучения светодиодов и лазерных диодов

Когда на анод обычного диода подаётся положительный потенциал, то говорят, что диод смещён в прямом направлении. При этом дырки из p-области инжектируются в n-область p-n перехода, а электроны из n-области инжектируются в p-область полупроводника. Если электрон и дырка оказываются «вблизи» (на расстоянии, когда возможно туннелирование), то они могут рекомбинировать с выделением энергии в виде фотона определённой длины волны (в силу сохранения энергии) и фонона (в силу сохранения импульса, потому что фотон уносит импульс). Такой процесс называется спонтанным излучением и является основным источником излучения в светодиодах.

В лазерном диоде полупроводниковый кристалл изготавливают в виде очень тонкой прямоугольной пластинки. Такая пластинка по сути является оптическим волноводом, где излучение ограничено в относительно небольшом пространстве. Верхний слой кристалла легируется для создания n-области, а в нижнем слое создают p-область. В результате получается плоский p-n переход большой площади. Две боковые стороны (торцы) кристалла полируются для образования гладких параллельных плоскостей, которые образуют оптический резонатор, называемый резонатором Фабри-Перо. Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный перпендикулярно этим плоскостям, пройдёт через весь оптический волновод и несколько раз отразится от торцов, прежде чем выйдет наружу. Проходя вдоль резонатора, он будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение будет усиливаться (механизм вынужденного излучения). Как только усиление превысит потери, начнётся лазерная генерация

Оптический приемник осуществляет обратное преобразование входных оптических сигналов в выходные импульсы электрического тока.

В основе работы фотоприемника лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов происходит генерация электронно-дырочных пар. При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Из фотоприемников, применяемых в ВОЛС, получили распространение p-i-n фотодиоды, лавинные фотодиоды, фототранзисторы.

Если приемная и передающая станции удалены на большое расстояние друг от друга (~100 и более км), могут потребоваться дополнительно одно или несколько регенерационных устройств для усиления оптического сигнала, ослабевающего в процессе его распространения, а также для восстановления фронтов импульсов. В качестве таких устройств используются повторители и оптические усилители.

Основным элементом оптического кабеля является опти́ческое волокно́ — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Обычно опти́ческое волокно́ имеет круглое поперечное сечение и состоит из двух концентрических слоев оптически прозрачного диэлектрика. В центре располагается сердцевина из оптически более плотного кварца, его окружает оболочка из кварца с меньшей оптической плотностью.

Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения — каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 10 микрон. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну лишь одной моды электромагнитного излучения, за счёт чего исключается влияние дисперсионных искажений. В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми.

Волоконно-оптические линии обладают рядом преимуществ перед проводными (медными) системами связи:

1. Малое затухание сигнала позволяет передавать информацию на значительно большее расстояние без использования усилителей. Усилители в ВОЛС могут ставиться через 40, 80 и 120 километров, в зависимости от класса оконечного оборудования.

2. Высокая пропускная способность оптического волокна позволяет передавать информацию на высокой скорости, недостижимой для других систем связи.

3. Высокая надёжность оптической среды: оптические волокна не окисляются, не намокают, не подвержены слабому электромагнитному воздействию.

4. Информационная безопасность — информация по оптическому волокну передаётся «из точки в точку».

5. Высокая защищённость от межволоконных влияний — уровень экранирования излучения более 100 дБ. Излучение в одном волокне совершенно не влияет на сигнал в соседнем волокне.

6. Пожаро- и взрывобезопасность при изменении физических и химических параметров.

К недостаткам ВОЛС можно отнести:

1. Относительная хрупкость оптического волокна. При сильном изгибании кабеля возможна поломка волокон или их замутнение из-за возникновения микротрещин.

2. Сложность соединения в случае разрыва.

3. Сложная технология изготовления как самого волокна, так и компонентов ВОЛС.

4. Сложность преобразования сигнала.

5. Относительная дороговизна оптического оконечного оборудования.