Фізико-технологічні основи одержання оптичних волокон, для волоконно-оптичних ліній звязку

СОДЕРЖАНИЕ: Характеристика матеріалів, які використовуються для одержання оптичних волокон: властивості кварцу, очищення силікатного скла, полімерні волокна. Дослідження методів та технології виробництва оптичних волокон. Особливості волоконно-оптичних ліній звязку.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ФІЗИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КУРСОВА РОБОТА

на тему:

Фізико-технологічні основи одержання оптичних волокон , для волоконно-оптичних ліній зв’язку

Зміст

Вступ

Розділ 1. Матеріали які використовуються для одержання оптичних волокон

1. Властивості кварцу

2. Очищення силікатного скла

3. Полімерні волокна

Розділ 2. Методи та технологія виробництва оптичних волокон

2.1 Фізичні особливості оптичних волокон

2.2 Технологія виробництва

2.3 Метод осадження з газової фази

Розділ 3. Волоконно-оптичні лінії звязку

3.1 Волоконно-оптичний кабель

3.2 Електронні компоненти систем оптичного звязку

3.3 Перспективи розвитку оптоволоконної технології

3.4 Переваги та недоліки оптоволоконної технології

Висновки

Список літератури

Вступ

Сучасні телекомунікації важко представити без волоконно-оптичних ліній звязку. Щорік по всьому світу прокладаються тисячі кілометрів оптоволокна. Проте серйозну конкуренцію іншим видам дротяного звязку воно склало відносно недавно. Стрімке поширення оптоволоконних ліній намітилося останніми роками, не дивлячись на те що їх впровадження почалося майже 20 років тому. Винахід в 1970 році фахівцями компанії Corning, Ink оптоволокна, що дозволило без ретрансляторів продублювати на ту ж відстань систему передачі даних телефонного сигналу по мідному дроту, прийнято вважати переломним моментом в історії розвитку оптоволоконних технологій. Розробникам удалося створити провідник, який здатний зберігати не менше одного відсотка потужності оптичного сигналу на відстані одного кілометра. За нинішніми мірками це досить скромне досягнення, а тоді, без малого 40 років тому, – необхідна умова, для того, щоб розвивати новий вигляд дротяного звязку. Складається оптоволокно з центрального провідника світла (серцевини) — скляного волокна, оточеного іншим шаром скла – оболонкою, що володіє меншим показником заломлення, чим серцевина. Поширюючись по серцевині, промені світла не виходять за її межі, відбиваючись від покриваючого шару оболонки. У оптоволокні світловий промінь зазвичай формується напівпровідниковим або діодним лазером. Залежно від розподілу показника заломлення і від величини діаметру сердечника .

Волоконна оптика хоч і є повсюдно використовуваним і популярним засобом забезпечення звязку, сама технологія проста і розроблена досить давно. Експеримент із зміною напряму світлового пучка шляхом заломлення був продемонстрований Данієлем Колладоном (Daniel Colladon) і Жаком Бабінеттом (Jacques Babinet) ще в 1840 році. Опісля декілька років Джон Тіндалл (John Tyndall) використовував цей експеримент на своїх прилюдних лекціях в Лондоні, і вже в 1870 році випустив працю, присвячену природі світла. Практичне вживання технології знайшлося лише в ХХ столітті. У 20-х роках минулого століття експериментаторами Кларенсом Хаснеллом (Clarence Hasnell) і Джоном Бердом (John Berd) була продемонстрована можливість передачі зображення через оптичні трубки. Цей принцип використовувався Генріхом Ламмом (Heinrich Lamm) для медичного обстеження пацієнтів. Лише у 1952 році індійський фізик Наріндер Сингх Капані (Narinder Singh Kapany) провів серію власних експериментів, які і привели до винаходу оптоволокна. Фактично їм був створений той самий джгут із скляних ниток, причому оболонка і серцевина були зроблені з волокон з різними показниками заломлення. Оболонка фактично служила дзеркалом, а серцевина була прозорішою – так удалося вирішити проблему швидкого розсіювання. Якщо раніше промінь не доходив та кінця оптичної нитки, і неможливо було використовувати такий засіб передачі на тривалих відстанях, то тепер проблема була вирішена. Наріндер Капані до 1956 року удосконалив технологію. Вязка гнучких скляних прутов передавала зображення практично без втрат і спотворень.

Розділ 1. Матеріали які використовуються для одержання оптичних волокон

1.1 Властивості кварцу

З більшості видів стекол найнижчим поглинанням у видимої області спектру володіє плавлений кварц - за умови високої міри очищення і гомогенності (однорідності по складу). Значні переваги кварцу обумовлені малими внутрішніми втратами на розсіювання. Висока температура плавлення кварцу (1610 З при швидкому нагріві, 1720 З при повільному), з одного боку, вимагає спеціальної технології для виготовлення оптичного волокна, а з іншої - допомагає позбавитися від різних домішок, які випаровуються при нижчих температурах. Стекла, вживані для виготовлення світлопроводів (серцевини і оптичної оболонки), розрізняються показниками заломлення n. У кварц (показник заломлення n = 1,4585 на довжині хвилі 0,589 мкм) додається оксид бору (n = 1,4585 на довжині хвилі 0,589 мкм), що знижує показник заломлення. Інший спосіб знизити показник заломлення плавленого кварцу - додати в нього фтор. На відміну від метастабільного характеру зміни цього показника в чистого боросилікату, зниження його в боросиликатного скла з добавкою фтору - внутрішня властивість атомів фтору в матриці SiO2. Різниця показників заломлення чистого SiO2 і матеріалу з добавкою фтору збільшується лінійно з підвищенням молярної концентрації фтору аж до декількох відсотків. Показник заломлення кварцу зменшується на 0,2% при зміні молярній концентрації фтору на 1%. При цьому оптичні властивості кварцу не погіршуються [ 2 ].

Кварц з добавкою германію, який може бути використаний як матеріал серцевини оптоволокна, має широке вікно прозорості майже до 1,7мкм Більш переважним як легуючий матеріал (як дешевшого) є фосфорний ангідрид Р2О5. При додаванні до плавленого кварцу Р2О5 для утворення бінарного скла внутрішнє поглинання матеріалу і розсіювання майже не збільшуються. Показник заломлення фосфоросилікатного скла збільшується лінійно (в усякому разі, для невеликого вмісту оксиду фосфору) із збільшенням концентрації Р2О5. Початковий приріст показника заломлення при зміні молярної концентрації Р2О5 на 1% складає 0,043%. Вязкість і температурний коефіцієнт лінійного розширення P2O5 і SiO2 розрізняються, і це обмежує кількість фосфорного ангідриду, яка може бути введена в плавлений кварц для виготовлення оптоволокна.

1.2 Очищення силікатного скла

Якість очищення силікатного скла (SiO2), вживаного в даний час в оптичних волокнах з малими втратами, наближається до принципової межі, обумовленої властивостями самого скла [ 5 ]. Цей успіх в результаті виявлення і усунення всіх чинників, що обумовлюють оптичні втрати. Концентрації таких включень, як мідь, залізо і ванадій, були понижені до декількох долею на мільярд часток. Концентрація забруднення водою і гидроксогруппой (ВІН) були зменшені майже до настільки ж низького рівня. Допуски серцевини волокон, що випускаються зараз, на розміри і міру відхилення від кругового перетину менше, ніж один мікрон на багато кілометрів довжини. Бульбашки і дефекти поверхні по суті усунені. Чистота вихідних речовин, вживаних для виготовлення скла, в значній мірі визначає його високу якість по всіх контрольованих параметрах. У випадку з оксидними стеклами, до яких відноситься і кварцеве, основні втрати повязані з поглинанням іонами перехідних металів (ванадію, заліза, хрому, міді, кобальту, нікелю, марганцю), а також гідроксильними групами. Отже, в більшості випадків переважно застосовувати кварцеві стекла, оскільки вони володіють рядом переваг. При цьому двоокис кремнію як складова частина може бути отримана з дуже високою мірою чистоти. Необхідні пари підбираються виходячи з експериментальних даних, умов експлуатації і кінцевої вартості виробу.

Деякі найбільш загальні типи стекол і їх композиції представлені в таблиці:

Структурна форма	Структурний модифікатор (легуюча добавка)	Структурна форма	Структурний модифікатор (легуюча добавка)
SiO2	K2O	Al2O3	CAO
B2O3	MGO	Na2O3	PBO

1.3 Полімерні волокна

Стекла - не єдиний прозорий матеріал у видимої і інфрачервоної області, прозорі і багато полімерів [ 9 ]. Полімери мають наступні переваги: з них легко формувати елементи, у тому числі і волоконні, вони дешевші, при їх виготовленні використовуються менші температури, чим для скла. Проте до недавнього часу оптичні втрати в полімерах були набагато вищі, ніж в склі. Проте втрати в полімерах можуть бути зменшені за рахунок зрушення смуги поглинання, повязаною з коливаннями C-H (полімер в основному складається із звязків вуглець-водень). Для цього необхідно замінити водень на фтор і із-за збільшення ефективної маси коливальної системи поглинання зрушиться в інфрачервону область, не використовуваною при передачі зображень[ 4 ]. Таким чином, можна отримати маленьке поглинання аж до довжин хвиль 1,3 мкм. Подібна заміна не звязана з великими витратами. Стекла і полімери - аморфні матеріали; бувають волокна полікристалічні, їх отримують за допомогою витискування з кристалічного стержня на спеціальній машині - екструдері. Полікристалічні волокна роблять зазвичай невеликої довжини - метри-десятки метрів і, як правило, використовують д передачі потужного лазерного випромінювання.

Пластикове, або полімерне, оптичне волокно, випереджає скловолокно по співвідношенню ціна-продуктивність. Пластикові світлопроводи здатні працювати в температурному режимі - від – 40С до + 85C. Без збитку для оптичних характеристик вони можуть витримувати радіус вигину до 20 мм і не ламаються навіть при радіусі вигину в 1 мм. Така гнучкість дозволяє пластиковому світлопроводу з легкістю досягати важкодоступних місць, проникаючи крізь велику кількість досить крутих перегинів [ 6 ]. Але пластикове волокно має один істотний недолік: порівняно велика дисперсія світлового імпульсу, поданого на вхід. Це обставина і обмежує максимальну довжину прольоту сотнею метрів, що цілком достатньо для передачі зображення на відстань всього декількох метрів.

Розділ 2. Методи та технологія виробництва оптичних волокон

2.1 Фізичні особливості оптичних волокон

Широкосмугова оптичних сигналів, обумовлена надзвичайно високою частотою, що несе оптоволокно . Це означає, що по оптичній лінії звязку можна передавати інформацію із швидкістю порядку 1 Терабіт/с.[ 7 ]

Кажучи іншими словами, по одному волокну можна передати одночасно 10 мільйонів телефонних розмов і мільйон відеосигналів. Швидкість передачі даних може бути збільшена за рахунок передачі інформації відразу в двох напрямах, оскільки світлові хвилі можуть поширюватися в одному волокні незалежно один від одного. Крім того, в оптичному волокні можуть поширюватися світлові сигнали двох різних поляризацій, що дозволяє подвоїти пропускну спроможність оптичного каналу звязку (рис.2.1).

(рис.2.1) Поширення світла в світловоді

На сьогоднішній день межа по щільності передаваної інформації по оптичному волокну не досягнута. А це означає, що до цих пір при настільки сильній завантаженості нашого Інтернету не знайшлося стільки інформації, яка при одночасної передачі привела б до зменшення швидкості передаваного потоку даних.

Дуже мале (в порівнянні з іншими середовищами) загасання світлового сигналу у волокні. Іншими словами втрата сигналу за рахунок опору матеріалу провідника. Кращі зразки російського волокна мають настільки мале загасання, що дозволяє будувати лінії звязку завдовжки до 100 км. без регенерації сигналів. У оптичних лабораторіях США розробляються ще прозоріші, так звані фтороцирконатні волокна. Лабораторні дослідження показали, що на основі таких волокон можуть бути створені лінії звязку з регенераційними ділянками через 4600 км. при швидкості передачі порядка 1 Гбіт/с.

Волокно виготовлене з кварцу, основу якого складає двоокис кремнію, широко поширеного, а тому недорогого матеріалу, на відміну від міді, звідси і порівняно не велика ціна і практично відсутність випадків крадіжки з метою здачі на металобрухт

Оптичні волокна мають діаметр близько 1 – 0,2 мм, тобто дуже компактні і легкі, що робить їх перспективними для використання в авіації, приладобудуванні, в кабельній техніці.[ 8 ]

Скляні волокна - не метал, при будівництві систем звязку автоматично досягається гальванічна розвязка сегментів. Застосовуючи особливо міцний пластик, на кабельних заводах виготовляють підвісні кабелі, що самонесущие, не містять металу і тим самим безпечні в електричному відношенні. Такі кабелі можна вмонтовувати на щоглах існуючих ліній електропередач, як окремо, так і вбудовані у фазовий дріт, економлячи значні засоби на прокладку кабелю через річки і інші перешкоди.

Системи звязку на основі оптичних волокон стійкі до електромагнітних перешкод, а передавана по світлопроводах інформація захищена від несанкціонованого доступу. Волоконно-оптичні лінії звязку не можна підслухати неруйнівним способом. Всякі дії на волокно можуть бути зареєстровані методом моніторингу (безперервного контролю) цілісності лінії. Теоретично існують способи обійти захист шляхом моніторингу, але витрати на реалізацію цих способів будуть настільки великі, що перевершать вартість перехопленої інформації. Наприклад ви все ж вирішили це зробити. Для виявлення перехоплюваного сигналу вам знадобиться перебудовуваний інтерферометр Майкельсона спеціальної конструкції. Причому, видимість інтерференційної картини може бути ослаблена великою кількістю сигналів, одночасно передаваних по оптичній системі звязку. Можна розподілити передавану інформацію по безлічі сигналів або передавати декілька шумових сигналів, погіршуючи цим умови перехоплення інформації. Буде потрібно значний відбір потужності з волокна, аби несанкціоновано прийняти оптичний сигнал, а це втручання легко зареєструвати системами моніторингу.[ 10 ]

Важлива властивість оптичного волокна - довговічність. Час життя волокна, тобто збереження ним своїх властивостей в певних межах, перевищує 25 років, що дозволяє прокласти оптико-волоконный кабель один раз і, в міру необхідності, нарощувати пропускну спроможність каналу шляхом заміни приймачів і передавачів на більш швидкодіючі, без заміни самого кабелю.

2.2 Технологія виробництва

Технології виробництва оптоволокна всього три десятки років. Це якщо вважати від моменту появи перших теоретичних робіт, в яких була показана принципова можливість створення світлопроводів 1 з прийнятним, менше 20 дБ/км, загасанням. Перші зразки, що задовольняють цій вимозі, були створені на початку сімдесятих років. А до того ясність, з чого краще всього робити світлопроводи, повністю відсутня: учені досліджували багатокомпонентні склади скла, пропонували навіть використовувати капіляри з рідиною. Врешті-решт зупинилися на волокні з кварцевого скла.Технологічний процес виготовлення світлопроводів на основі кварцевого скла ділиться на два етапи.

Перший етап - здобуття заготівки, яка є скляним стержнем завдовжки порядка метр і діаметром близько 10-20 мм. Для цього існує декілька способів кожен з них має свої переваги і недоліки.

2.3 Метод осадження з газової фази

Перший спосіб названий модифікованим методом хімічного осадження з газової фази (MCVD). Уявіть собі подібність токарного верстата, в якому на місце різця встановлений киснево-водневий пальник [ 9 ]. У верстат затискається скляна трубка і через неї на першому етапі пропускається хлорид кремнію і кисень (насправді склад суміші складніший). У гарячій зоні напроти пальника синтезується оксид кремнію. Утворюються, фігурально виражаючись, пушинки окисли, які дрейфують з гарячої області в холоднішу і прилипають до стінки. Цей процес називається термофорезом, він добре описується і пояснюється кінетичною теорією. Осадження відбувається не в місці нагріву полумям, а перед ним - там, куди полумя ще не дійшло. На поверхні трубки утворюється пористий шар окислу, і, рухаючись далі, пальник його проплавляє - склить. Так виходить шар чистого скла. При наступних проходах через трубку пропускають ще і германій у вигляді хлориду . Таким чином легують матеріал світлопровода, створюючи в нім градієнт коефіцієнта заломлення. Після того, як необхідне число шарів готове, подачу хлоридів вимикають, а температуру полумя збільшують - в результаті трубка плавиться і схлопується просто під дією сил поверхневого натягнення.

В основному цей метод був розроблений компанією ATT, яка виробляє більше третини всього обєму волокна в світі. Як вже було сказано, метод найпростіший. Проте для нього потрібна дуже хороша труба-заготівка без включень, оскільки включення - це центри напруги, з якої може почати зростати тріщина. З цим досить успішно борються шляхом хімічної або вогневої поліровки поверхні трубок [ 1 ].

Інший метод, яким користується фірма Корнінг, називають ще зовнішнім осадженням (на відміну від першого - внутрішнього): скло осідає на вогнетривкий стержень прямо з полумя пальника, куди подаються хлориди вихідних речовин. Оскільки осадження відбувається в атмосфері полумя, в такому матеріалі залишається багато води, що вийшла в результаті окислення водню. Тому, після того, як центральний стержень виймають, доводиться продувати заготівку хлором, який екстрагує воду. І лише після цього заготівка склиться.

У третьому методі, розробленому японськими фірмами, серед яких NTT, Сумітомо і ін., реалізована складніша конструкція. Заготівка зростає з приманки, розташованої на певній відстані вище полумя пальника, що має складну шарову структуру, як в рулету. У середину полумя подають суміш хлоридів германію і кремнію, потім шар буферного газу, потім лише хлорид кремнію для чистого скла, потім знову буферний газ, і, врешті-решт, на краю пальника, кисень з воднем - те, що, власне кажучи, і горить. Речовина осідає на тільки що створену в цьому ж процесі поверхню. Проте відстань до цієї поверхні має бути строга фіксованим, і заготівка постійно відсовується від полумя пальника. Таким методом можна створювати заготовки, які вистачає на декілька тисяч кілометрів волокна, а в принципі процес може бути безперервний - у міру виготовлення заготівки з неї ж можна витягувати волокно. На другому етапі кінець заготівки розмякшують в печі і тягнуть з нього волокно. При витягу не відбувається змішування окремих шарів - при цьому відбувається, виражаючись математичною мовою, перетворення подібності. Тобто, якщо діаметри серцевини і оболонки заготівки відносилися, як один до десяти, то так воно буде і у витягнутому волокні. Витяг світлопроводів проводиться в стільки ж чистих приміщеннях, як і при виробництві мікросхем, аби на їх поверхню не потрапляли порошинки - ті ж самі включення. Після того, як волокно остигне, на нього наноситься захисна плівка полімеру [ 4 ].

Одномодове волокно

При досить малому діаметрі волокна і відповідній довжині хвилі через світлопровід поширюватиметься єдиний промінь. Взагалі сам факт підбору діаметру сердечника під одномодовий режим поширення сигналу говорить про частковість кожного окремого варіанту конструкції світлопровода. Тобто під одномодовістю слід розуміти характеристики волокна відносно конкретної частоти використовуваної хвилі. Поширення лише одного променя дозволяє позбавитися від міжмодової дисперсії, у звязку з чим одномодові світлопроводи на порядки производительнее. На даний момент застосовується сердечник із зовнішнім діаметром близько 8 мкм. Як і у випадку з багатомодовими світлопроводами, використовується і ступінчаста, і градієнтна щільність розподілу матеріалу. Другий варіант продуктивніший. Одномодова технологія тонша, дорожча і застосовується в даний час в телекомунікаціях. Оптичне волокно використовується у волоконно-оптичних лініях звязки, які перевершують електронні засоби звязку тим, що дозволяють без втрат з високою швидкістю транслювати цифрові дані на величезні відстані. Оптоволоконні лінії можуть як утворювати нову мережу, так і служити для обєднання вже існуючих мереж — ділянок магістралей оптичних волокон, обєднаних фізично на рівні світлопровода, або логічно — на рівні протоколів передачі даних. Швидкість передачі даних по ВОЛС може вимірюватися сотнями гигабит в секунду. Вже зараз доопрацьовується стандарт, що дозволяє передавати дані із швидкістю 100 Гбіт/с, а стандарт 10 Гбіт Ethernet використовується в сучасних телекомунікаційних структурах вже декілька років.

Багатомодове волокно

У багатомодовому ОВ може поширюватися одночасно велике число мод – променів, введених в світлопровід під різними кутами [7]. Багатомодове ОВ володіє відносно великим діаметром серцевини (стандартні значення 50 і 62,5 мкм) і, відповідно, великою числовою апертурою. Більший діаметр серцевини багатомодового волокна спрощує введення оптичного випромінювання у волокно, а мякші вимоги до допустимих відхилень для багатомодового волокна дозволяють зменшити вартість оптичних приемо-передатчиков. Таким чином, багатомодове волокно переважає в локальних і домашніх мережах невеликої протяжності. Основним недоліком багатомодового ОВ є наявність міжмодової дисперсії, що виникає через те, що різні моди проробляють у волокні різну оптичну дорогу. Для зменшення впливу цього явища було розроблено багатомодове волокно з градієнтним показником заломлення, завдяки чому моди у волокні поширюються по параболічних траєкторіях, і різниця їх оптичних доріг, а, отже, і міжмодова дисперсія істотно менша. Проте наскільки не були б збалансовані градієнтні багатомодові волокна, їх пропускна спроможність не порівняється з одномодовими технологіями.

Розділ 3. Волоконно-оптичні лінії звязку

3.1 Волоконно-оптичний кабель

На сьогодні в світі декілька десятків фірм, що виробляють оптичні кабелі різного призначення [ 2 ]. Найбільш відомі з них: ATT, General Cable Company (США); Siecor (ФРН); BICC Cable (Великобританія); Les cables de Lion (Франція); Nokia (Фінляндія); NTT, Sumitomo (Японія), Pirelli(Італія).

Визначальними параметрами при виробництві ВОК є умови експлуатації і пропускна спроможність лінії звязку. За умовами експлуатації кабелі підрозділяють на:

монтажні

станційні

зонові

магістральні.

Перших двох типів кабелів призначено для прокладки усередині будівель і споруд. Вони компактні, легкі і, як правило, мають невелику будівельну довжину. Кабелі останніх двох типів призначені для прокладки в колодязях кабельних комунікацій, в ґрунті, на опорах уподовж ЛЕП, під водою. Ці кабелі мають захист від зовнішніх дій і будівельну довжину більше двох кілометрів . Для забезпечення великої пропускної спроможності лінії звязку виробляються ВОК, що містять невелике число (до 8) одномодових волокон з малим загасанням, а кабелі для розподільних мереж можуть містити до 144 волокон як одномодових, так і багатомодових, залежно від відстаней між сегментами мережі.

При виготовленні ВОК в основному використовуються два підходи:

конструкції з вільним переміщенням елементів

конструкції з жорстким звязком між елементами.

По видах конструкцій розрізняють кабелі повивной скручування, пучкового скручування, з профільним сердечником, стрічкові кабелі. Існують багаточисельні комбінації конструкцій ВОК, які у поєднанні з великим асортиментом вживаних матеріалів дозволяють вибрати виконання кабелю, що щонайкраще задовольняє всім умовам проекту, у тому числі – вартісним.

Окремо розглянемо способи зрощення будівельних довжин кабелів

Зрощення будівельних довжин оптичних кабелів виробляється з використанням кабельних муфт спеціальної конструкції. Ці муфти мають два або більш кабельних введення, пристосування для кріплення силових елементів кабелів і одну або декілька сплайс-пластин. Сплайс-пластина - це конструкція для укладання і закріплення волокон різних кабелів, що зрощуються [ 6 ].

Після того, як оптичний кабель прокладений, необхідно зєднати його з приймально-передавальною апаратурою. Зробити це можна за допомогою оптичних комутаторів (зєднувачів). У системах звязку використовуються комутатори багатьох видів.

3.2 Електронні компоненти систем оптичного звязку

Перше покоління передавачів сигналів по оптичному волокну було упроваджене в 1975 році. Основу передавача складав світо діод, що працює на довжині хвилі 0.85 мкм в багатомодовому режимі.

Протягом подальших трьох років зявилося друге покоління – одномодові передавачі, що працюють на довжині хвилі 1.3 мкм.

У 1982 році народилося третє покоління передавачів - діодні лазери, що працюють на довжині хвилі 1.55 мкм. Дослідження продовжувалися, і ось зявилося четверте покоління оптичних передавачів, що дало початок когерентним системам звязку, - тобто системам, в яких інформація передається модуляцією частоти або фази випромінювання. Такі системи звязку забезпечують набагато більшу дальність поширення сигналів по оптичному волокну. Фахівці фірми NTT побудували без регенераторну когерентну волоконно-оптичну лінію звязку STM-16 на швидкість передачі 2.48832 Гбіт/с протяжністю в 300 км., а в лабораторіях NTT на початку 1990 року учені вперше створили систему звязку із застосуванням оптичних підсилювачів на швидкість 2.5 Гбіт/с на відстань 2223 км.

Поява оптичних підсилювачів на основі світлопроводів здатних підсилювати сигнали, дало початок пятому поколінню систем оптичного звязку. В даний час швидкими темпами розвиваються системи оптичної телекомунікації на відстані в тисячі кілометрів. Успішно експлуатуються трансатлантичні лінії звязку США-Європа ТАТ-8 і ТАТ9, ТИХООКЕАНСЬКА лінія Гавайські для США Острови-Японія ТРС-3. Ведуться роботи по завершенню будівництва глобального оптичного кільця звязку Японія – Сінгапур – Індія - Саудівська Аравія-Єгипет-Італія [ 8 ].

Останніми роками разом з когерентними системами звязку розвивається альтернативний напрям: солітонові системи звязку. Солітон - це світловий імпульс з незвичайними властивостями: він зберігає свою форму і теоретично може поширюватися по ідеальному світлопроводу нескінченно далеко. Солітони є ідеальними світловими імпульсами для звязку. Тривалість солітона складає приблизно 10 триліонних долий секунди (10 пс). Солітонові системи, в яких окремий біт інформації кодується наявністю або відсутністю солітона, можуть мати пропускну спроможність не менше 5 Гбіт/с на відстані 10 000 км. Таку систему звязку передбачається використовувати на вже побудованій трансатлантичній лінії ТАТ-8. Для цього доведеться підняти підводний ВОК, демонтувати всі регенератори і зростити всі волокна безпосередньо. В результаті на підводній магістралі не буде жодного проміжного регенератора.

3.3 Перспективи розвитку оптоволоконної технології

Що стосується перспектив оптоволоконних провідників, то дослідники шукають відповіді на декілька питань: як протистояти нелінійним ефектам, звести до мінімуму бітові збої, підвищити підсумкову потужність, а заразом і розширити зону дії підсилювача. Деякі попередні рішення вже відомі. Наприклад, збільшити ефективну площу оптоволоконного провідника можна змінивши коефіцієнт заломлення серцевини і зовнішніх кілець оптоволокна. Добитися цього удасться, якщо створити центральну трикутну зону і зовнішнє кільце з матеріалу з високим коефіцієнтом заломлення. Інший варіант – змінити коефіцієнт заломлення за допомогою двох зовнішніх кілець серцевини волокна. У обох випадках зовнішнє кільце забезпечує розподіл світла з центральної зони і розсіює його на більшій площі, строго направляючи промені по радіусу потрібної довжини. В результаті зменшується пікова потужність серцевини, підвищується гнучкість оптоволокна і при цьому зберігається світлонепроникність зовнішньої оболонки.

Ще один спосіб управління дисперсією – використання погоджених з керованою дисперсією пар волокон (NDSF-волокон). Їх переваги очевидні: швидкість передачі даних подвоюється в порівнянні з волокном, що не має зрушення дисперсії (NZDF-волокном). Підтвердити це можна на простому прикладі. Якщо швидкість NZDF-волокна складає один Тбіт/с при максимальній відстані передачі даних в 6 тис. км., то швидкість пари волокон з керованою дисперсією дозволяє збільшити дистанцію трансляції сигналу до 7,2 тис. км., при цьому швидкість передачі даних підтримується на рівні 2,1 Тбіт/с. Проте подібного роду технології знаходяться на стадії доопрацювання і доки не отримали широкого вживання [ 5 ].

Оптоволоконні «горизонти»

Навряд чи варто сумніватися в тому, що високі вимоги до пропускної спроможності і стабільності передачі інформації, що предявляються у сфері телекомунікацій, приведуть з часом до широкого використання новітніх оптоволоконних провідників. Оператори звязку і виробники телекомунікаційного устаткування всього світу виявляють велику цікавість до оптоволоконних технологій. І хоча в 2001–2003 роках темпи зростання ринку оптичного волокна у ряді розвинених країн сповільнилися, підвищений попит на такий вигляд дротяної передачі даних наголошується в регіонах, що розвиваються. Якщо в 2000 році на Північну Америку доводилося 40% оптоволокна, що існувало в світі, на Європу – 27, Японію – 11, країни Азії – 16, Африку, Близький Схід і Латинську Америку – 6, то до початку 2008 прогнозується кардинальна зміна структури його розподілу. Експерти вважають, що доля Північної Америки складе 19%, Європи – 24, Японії – 14, країн Азії – 22, Африки, Близького Сходу і Латинської Америки – 21. Отже, загальна протяжність оптоволокна до наступного року збільшиться в порівнянні з 2002 з 156,2 до 457,4 гигаметров. Приведені цифри дозволяють говорити про технологічний потенціал оптоволоконних мереж і про конкурентоспроможність цих технологій на сучасному ринку телекомунікацій.

Стрімке поширення оптоволокна викликане такими змінами цих технологій, що оптоволоконні мережі стають такими, що усе більш зажадалися, а інколи і незамінними [ 3 ]. Значний вплив на зростання популярності оптоволоконних комунікацій зробила багатоканальна передача інформації, що стала можливій завдяки впровадженню технології мультиплексування. Крім того, сьогодні зростає попит на збільшену смугу пропускання. Наукові розробки в цій області дозволили розширити сферу вживання і загальні характеристики цього вигляду дротяної передачі даних. Впровадження оптичного підсилювача з присадкою ербію (EDFA) доповнило комерційні можливості волокна за рахунок розширення хвилевого діапазону. В результаті зявилися передумови для ефективної одночасної передачі великого числа хвиль з коефіцієнтом мультиплікації 8, 16, 32 і більш. По пропускній спроможності сучасний оптоволоконний кабель перевершив свого попередника 20-річної давності в 150 тис. разів. І це, стверджують фахівці, далеко не межа.

Недоліки : при створенні лінії звязку потрібні активні високонадійні елементи, що перетворюють електричні сигнали в світло і світло в електричні сигнали. Необхідні також оптичні колектори (зєднувачі) з малими оптичними втратами і великим ресурсом на підключення-відключення.

Точність виготовлення таких елементів лінії повинна відповідати довжині хвилі випромінювання, тобто погрішності мають бути порядку долі мікрона. Тому виробництво таких компонентів оптичних ліній звязку дуже дороге.

Інший недолік полягає в тому, що для монтажу оптичних волокон потрібне дороге технологічне устаткування. а) інструменти для обрізання. б) комутатори. у) тестери. г) муфти і спайс- касети.

Як наслідок, при аварії (обриві) оптичного кабелю витрати на відновлення вище, ніж при роботі з мідними кабелями.

Промисловість багатьох країн освоїла випуск широкої номенклатури виробів і компонентів оптоволокна. Слід зауважити, що виробництво компонентів відрізняє висока міра концентрації.

Більшість підприємств зосереджена в США. Володіючи головними патентами, американські фірми (в першу чергу це відноситься до фірми CORNING GLASS) роблять вплив на виробництво і ринок компонентів у всьому світі, завдяки укладанню ліцензійних угод з іншими фірмами і створенню спільних підприємств.

3.4 Переваги та недоліки оптоволоконної технології

Широка смуга оптичних сигналів, обумовлена надзвичайно високою частотою . Це означає, що по оптоволоконній лінії можна передавати інформацію із швидкістю порядку 1 Тбіт/с; Дуже мале загасання світлового сигналу у волокні, що дозволяє будувати волоконно-оптичні лінії звязку завдовжки до 100 км. і більш без регенерації сигналів [ 2 ].

Стійкість до електромагнітних перешкод з боку довколишніх мідних кабельних систем, електричного устаткування (лінії електропередачі, електрорухові установки і так далі) і погодних умов;

Захист від несанкціонованого доступу. Інформацію, що передається по волоконно-оптичних лініях звязку, практично не можна перехопити неруйнівним для кабеля способом. Електробезпека. Будучи, по суті, діелектриком, оптичне волокно понижує пожежо-небезпечність мережі, що особливо актуально на хімічних, нафтопереробних підприємствах, при обслуговуванні технологічних процесів підвищеного риску. Довговічність ВОЛС — термін служби волоконно-оптичних ліній звязку складає не менше 25 років.

Недоліки оптоволоконного типа звязку : відносно висока вартість активних елементів лінії, що перетворюють електричні сигнали в світло і світло в електричні сигнали; Відносно висока вартість зварки оптичного волокна. Для цього потрібне прецизійне, а тому дороге, технологічне устаткування. Як наслідок, при обриві оптичного кабелю витрати на відновлення ВОЛС вище, ніж при роботі з мідними кабелями.

Висновки

Волоконно-оптичні лінії звязку - це вигляд звязку, при якому інформація передається по оптичних діелектричних хвилеводах, відомих під назвою оптичне волокно.

Оптичне волокно в даний час вважається найдосконалішим фізичним середовищем для передачі інформації, а також найперспективнішим середовищем для передачі великих потоків інформації на значні відстані.

Переваги: широка смуга оптичних сигналів, обумовлена надзвичайно високою частотою . Це означає, що по оптоволоконній лінії можна передавати інформацію із швидкістю порядку 1 Тбіт/с; Дуже мале загасання світлового сигналу у волокні, що дозволяє будувати волоконно-оптичні лінії звязку завдовжки до 100 км. і більш без регенерації сигналів

Недоліки: оптоволоконного типа звязку : відносно висока вартість активних елементів лінії, що перетворюють електричні сигнали в світло і світло в електричні сигнали; Відносно висока вартість зварки оптичного волокна. Для цього потрібне прецизійне, а тому дороге, технологічне устаткування. Як наслідок, при обриві оптичного кабелю витрати на відновлення ВОЛС вище, ніж при роботі з мідними кабелями.

Список використаної літератури

1. Семенов А. Волоконно-оптична техніка \ Львів , 1993.- с.200.

2. Андрушко Л. Волоконно-оптичні лінії звязку\ під ред. Свечникова

С.- Київ ,1988- с.150.

3. Морозів О. Оптичні кабелі \\ Вісник звязку-Київ,1993 № 3,4,7,- с.12

4. Десурвір . Світловий звязок пяте покоління \\ В світі науки-Харків , 1992

№ 3,- с.25

5. Сірок В. Зарубіжна техніка звязку \\Телефонія, телеграфія, передача даних-Київ, 1991 № 11-12, - с.15

6. Бліх К.І Світлопроводи для передачі зображення \ Москва ,1961.-с.165.

7. Велихов А.В , Строчников К.С. Компьютерные сети. Учебное пособие по администрированию локальных сетей. 3-е издание. - Новый издательский дом\ Москва , 2005 . - 304 с.

8. Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия персонального комп’ютера \Москва «ОЛМА - ПРЕСС», 2007 г. - 896 с.

9. Семенов А. Б. Волоконная оптика в локальных и корпоративных сетях святи \ Москва « Компьютер-пресс» , 2000 г. - 304 с.

10. Велихов А.В., Строчников К.С. Компьютерные сети. Учебное пособие по администрированию локальных сетей. 3-е издание \ Санкт-петербург, 2005 г. - 304 с.

11. Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия персонального комп’ютера\ Москва «ОЛМА - ПРЕСС», 2007 г. - 896 с.

Скачать архив с текстом документа