Волоконная оптика в компьютерных и сетевых технологиях.

Волоконная оптика в компьютерных и сетевых технологиях.

Волоконная оптика используется как коммуникационная среда, соединяющая  электронные устройства. Волоконно-оптическая связь может быть организована между компьютером и его периферийными уст­ройствами, между двумя телефонными станциями или между станком и его контроллером на автоматизированном заводе. Применение волоконной оптики связано с преобразованием электрического сигнала в световой и обратно, стоимость волоконной оптики достаточно высока, но  преимущества волоконной оптики определяемые уникальными характеристиками оптоволокна делают его наиболее подходя­щей передающей средой во множестве различных областей техники. Эти уникальные характеристики оптоволокна органично согласовываются, позволяя передавать данные с высокой скоростью на большие дистанции и с небольшим числом ошибок. Оптоволоконные линии обеспечивают:

-  широкую полосу пропускания линии;

-  нечувствительность линий к электромагнитным помехам;

-  низкие потери;

-  малый вес и малый размер;

-  безопасность и секретность.

Важность каждого из этих достоинств зависит от конкретного приме­нения оптоволоконных линий. В одном случае широкая полоса пропускания и низкие потери являются самыми ценными характеристиками. В других случаях важна безопасность и секретность передачи данных, которые легко обеспечиваются при использовании волоконной оптики.

                Потребности общества в передаче все больших и больших объемов информации электронным способом постоянно увеличиваются. Увеличение поло­сы пропускания передающей среды и частоты несущей потенци­ально увеличивают возможности передачи информации. Радиочастоты используемые для передачи выросли на пять порядков, от примерно 100 КГц до приблизительно 10 ГГц, но частоты свето­вого сигнала на несколько порядков превосходят максимально-возможные частоты ра­диоволн. Изобретение лазера, в котором свет используется в качестве несущей сразу увеличило потенциальный диапазон на четыре поряд­ка — до 100 000 ГГц (или 100 терагерц, ТГц). Теорети­чески волоконная оптика  может работать в диапазоне до 1 ТГц, однако практически используемый в настоящее время диапазон частот еще достаточно далек от этих предельных значений. При­меняемая сегодня полоса пропускания волоконной оптики превосходит аналогичный параметр медного кабеля. Коммуникационные возмож­ности волоконной оптики только начинают развиваться, в то время как воз­можности медного кабеля достигли своего верхнего предела.

Телефонные компании при модернизации оборудования все чаще используют циф­ровую связь. Более широкая полоса пропускания оптических систем обеспечивает большее количество звуковых каналов, приходящихся на одну линию и более высокую скорость передачи битов. В таблице 1 представлены для сравнения характеристики коаксиальных и оптических кабе­лей. Возмож­ности волоконной оптики представлены для сетей типа Sonet (волоконно-оптический телекоммуникационный стандарт, предусматривающий скорости передачи данных до 10 Гбайт/c) или синхронной оптической сети.

 К достоинствам волоконной оптики относится широкая полоса пропуска­ния, значительно перекрывающая полосу пропускания, необходимую для передачи звуковых сигналов, что обеспечивает передачу телевизионного сиг­нала или организацию телеконференций, для которых требуется информа­ционная емкость в  100 раз большая, чем для цифрового кодирования звуковых сигналов. Полоса пропускания волоконной оптики допускает мультиплексирование различных сигналов, например звуковых, видео или передачу данных. Волоконно-оптические линии связи на­чинают применяться в коммерческих и бытовых системах, а не только для передач данных на большие расстояния.

Опто-волоконная линия с возможностью передачи информации со скоростью 10 Гб/сек за время в одну секунду обеспечивает поддержку  130 000 звуковых каналов, 16 телевизионных каналов высокого разрешения (HDTV) или 100 ка­налов HDTV (канал HDTV использует более широкую частотную полосу, чем обыч­ные телевизионные каналы)при условии использовании методов  сжатия информации.

 Ширина полосы пропускания связана со скоростью передачи информа­ции, а потери (затухание) определяют расстояние, на которое может переда­ваться сигнал. Уменьшение амплитуды называется затуханием. По мере того как сигнал перемещается по передающей линии, его амплитуда уменьшается. В медном кабеле затухание увеличивается с ростом частоты модуляции и чем больше частота сигнала, тем больше потери. Потери в коаксиальном кабеле и витой паре увеличиваются с частотой, а в оптическом кабеле зату­хание не зависит частоты и остается постоянным в широком диапазоне частот (до очень высоких частот).

Затухание остается постоянным и в области очень высоких частот не связано с дополни­тельным затуханием света в оптоволокне. Поте­ри здесь  связаны с потерей информации, а не с потерей оптической мощности (информация кодируется в виде вариации оптической мощности, а  при очень высоких частотах потеря информации связана именно с искаже­нием сигнала, приводящим к потере мощности).

Таким образом влияние потерь, возникающих в системе, зависит от частоты сигнала. Система, хорошо работающая на оп­ределенной скорости передачи информации, может быть непригодной для работы в другом частотном диапазоне. Необходимость работы системы в различных скоростных режимах усложняет ее устройство (кон­струкция высокочастотной системы гораздо сложнее, чем низкочастотной системы). В волоконно-оптических системах потери постоянны на всех скоростях передачи во всем допустимом стандартом частотном диапазоне.

Затухание сигнала в линиях приводит к необходимости установки повтори­телей в промежуточных точках передающей линии. В медном кабеле рассто­яние между повторителями уменьшается по мере увеличения рабочей скорости. В оптическом волокне расстояние между повто­рителями увеличивается по мере роста скорости, поскольку высокие скорос­ти передачи данных требуют использования волокна с меньшим затуханием.

Первая трансатлантическая волоконно-оптическая телефонная линия на основе одной пары волокон, ус­тановленная компанией AT&T в 1988 году, одновременно поддерживала до 37 000 одновременных звуковых каналов в обоих направлениях., а расстояние между повторителями достигало 35 км. Трансатлантическая линия на коаксиальном кабеле под­держивала около 4000 каналов и требовала установки повторителей через каждые 10 км. Теоретически существует возможность создания волоконно-оптической системы, передающей 200 Мб/сек на расстояния от 80 до 100 км без повторителей.

Волоконно-оптические системы обеспечивают широкую полосу пропуска­ния с низкими потерями, что  приводит к их широкому использованию в теле­фонной индустрии.

Оптоволокно в отличие от медных кабелей не излучает и не восприни­мает электромагнитные волны. Медный проводник подоб­ен антенне, которая излучает и принимает электромагнитную энергию. Одна часть электронного устройства может создавать электромагнитные помехи, влияющие на работу других частей устройства.

Высокая концентрация электронных уст­ройств, часто не позволяет нормально работать оборудованию(электронный кассовый аппарат интерферирует с передачей сигнала на частоте 113 МГц, игровые видеоавтоматы мешают работе радио­связи в диапазоне 42 МГц, персональные компьютеры излучают и мешают приему те­левизионных программ на значительном расстоянии, средневолновые ра­диопередачи влияют на показания датчиков утечки газонасосных станций,  радары аэропорта искажают записи в компьютер­ном банке данных и т. д).

Электромагнитные наводки загрязняют окружающую среду и могут быть даже смертельно опасными. Европейские агентства стандартов предложили рекомендации, лимитирующие уровень электромагнитных на­водок, обусловленных работой компьютеров. Кабели, соединяющие оборудование, часто являются одним из главных источ­ников электромагнитных излучений. Они также восприимчивы и к приему внешних сигна­лов, являющихся помехами от других устройств

Оптические волокна не излучают и не воспринимают электро­магнитные волны, они являются идеальной средой. Некоторые производства использует волоконную оптику только по этой причине. Например, при вклю­чении и выключении мощных электромоторов возникают сильные электромагнитные наводки, которые отрицательно  влияют на работу сигнальных линий технологического оборудования. Использование оптического волокна вместо медного кабеля позволяет избежать данной проблемы.

Медные сигнальные кабели нельзя прокладывать вблизи от высоковольтных  линий без специальной защиты, по­скольку наводки от высоковольтной линии будут искажать передачу сигнала. Волоконно-оптические линии могут быть проложены совместно с высоко­вольтными, наводки от вы­соковольтных линий на них не влияют, световые сиг­налы не искажаются. Цифровая передача требует передачи сигнала без ошибок, а всплеск электромагнитной наводки может стать причиной ошибок в элек­тронных системах передач данных. Оптические волокна открывают новые возможности для передачи сигналов на большие расстояния без искажений.

Волоконно-оптический кабель той же информационной емкости, что и медный весит значительно меньше медного (одножильный волоконно-оптический кабель весит в 9 раз меньше коаксиального). Вес кабелей связи крайне важен в отраслях самолетостроения, автомобилестроения и др.

Одно оптическое волокно может заменить несколько медных проводников.  Емкость волоконно-оптического кабеля существенно превосходит емкость ко­аксиального, несмотря на то, что его диаметр почти в 10 раз меньше.

Малый размер оптоволоконного кабеля делает его незаменимым для использования в самолетах, подводных лодках, где использование каждого квадратного дюйма является критическим. Применение волоконно-оптического ка­беля обусловлено не только экономией места, но также невозможнос­тью применения его медного аналога. Волоконная оптика позволяет эффективно использовать ограниченное пространство.

Толстый медный кабель, занимающий большой объем в городском подземном кабельном канале, может быть с успехом заменен тонким оптическим кабелем, при этом останется  место для прокладки новых кабелей в будущем.

Оптоволокно является диэлектриком и не проводит ток. Его использование безопасно с точки зрения искро- и пожаробезопасности. Волок­но не притягивает молнии. Волоконно-оптический кабель может также ис­пользоваться в опасных местах и средах , в которых из соображений безопасности вообще нельзя  применять электрические кабели (например, волокно можно проложить прямо через бензобак автомобиля).

Подсоединение к проводу, перехват радиоволн, излучаемых работающим оборудованием или кабелем - вот варианты перехвата секретной информации. Государство и бизне­смены каждый год затрачивают большие средства на защиту своих секре­тов и  шифрование передаваемых сообщений.

Оптическое волокно является сверхбезопасной средой для передачи инфор­мации. Оно не излучает волны, которые могут быть получены близкорасполо­женной антенной. Подсоединиться к оптоволокну крайне тяжело поэтому Правительство и деловые круги рассматривают оптическое волокно как ин­формационную среду, обеспечивающую надежную защиту передаваемой  секретной информации.

Оптическое волокно при передаче ин­формации телефонных разговоров или компьютерных данных играет ту же роль, что и медный про­вод, но по волокну переносится свет, а не электрический сигнал. Средой переносящей ин­формацию является оптическое волокно (тонкая стеклянная или пластиковая нить). В связи с этим появляется множество преимуществ, что позволяет использовать оптическое волокно как несущую среду в различных областях техники — от телефонии до компьютеров и систем автоматизации.

  Рис.1. Элементы волоконно-оптической линии.

 Волоконно-оптическая система представляет собой линию, связывающую две электрические цепи. На рис. 1 представлены основные элементы волоконно-оптической линии:

- Передатчик состоит из схем устройства управления и источника оптического сигнала (светоизлучающий или  лазерный диод), который преобразует электрический сигнал в световой. Управ­ляющее устройство преобразует входной сигнал в вид , необходимой для управления источником.

- Вояоконно-оптический кабель состоит из оптоволокна и защитных оболочек и является средой, по которой распространяется све­товой сигнал.

- Приемник предназначен для приема светового сигнала и его преобразования в электрический сигнал. Приемник состоит из детектора, непосредственно выполняющий функ­цию преобразования сигналов, и выходного устройства, которое формирует и усиливает электрический сигнал.

- Коннекторы (соединители) используются для подключения волокон к источнику, детектору и для соединения волокон между собой.

В состав более сложных линий и коммуникационных сетей входят  и другие элементы, такие как разветвители, мультиплексоры и распре­делительные устройства, но в любой волоконно-оптической линии обязательно используются передатчик, волокно, приемник и соединители.

Волоконная оптика позволяет передавать информацию с сущест­венно более высокими скоростями по сравнению с медными кабелями и имеет гораздо более приемлемую стоимость и меньше ограничений, чем другие технологии. Возможности волоконной оптики только начинают реализо­вываться. Уже сейчас волоконно-оптические линии превосходят по своим характеристикам аналоги, основанные на медном кабеле и микроволновой технологии, возможности которых имеют меньший потенциал развития, чем начинающая развиваться волоконно-оптическая технология. Во­локонная оптика обещает стать неотъемлемой частью информационной рево­люции, и частью всемирной кабельной сети.

Волоконная оптика будет влиять на жизнь каждого человека: соединение электронного оборудования в офисе с оборудованием в других офисах; трансляция переговоров через громадные расстояния; рас­пространение по кабелю телевизионного изображения; безопасное соединение электронных блоков в автомобиле; управ­ление производственными процессами в промышленности. Волоконная оптика является новой технологией, только начинающей свое развитие, но уже доказана необходимость ее применения как среды передачи для различных прикладных задач, а характеристики волоконной оптики позволят в будущем существенно расширить область ее применения.