Принцип построения ВОСП.

Стремительный процесс информатизации общества явился главной причиной широкого использования волоконно-оптических систем пере­дачи (ВОСП) на информационных сетях различного назначения. Оптиче­ский кабель (ОК), основой которого являются оптические волокна (ОВ), считается в настоящее время самой совершенной направляющей систе­мой, как для телекоммуникационных магистралей большой протяженно­сти, так и для локальных сетей передачи данных. Объясняется это тем, что ОК по своим характеристикам значительно превосходят электриче­ские кабели. Малое затухание и дисперсия сигналов в ОВ позволяют довести длину ретрансляционного участка ВОСП до 100 км и более. Широкая полоса пропускания дает возможность передавать по одному ОВ поток информации со скоростью в десятки гигабит в секунду. Вы­сокая защищенность от несанкционированного доступа позволяет ис­пользовать ОК в системах, где предъявляются повышенные требования к информационной безопасности.

Оптические волокна невосприимчивы к внешним электромагнитным влияниям, так как в многоволоконных ОК не возникает проблемы вза­имных помех, присущих электрическим кабелям. При одной и той же пропускной способности электрических кабелей и ОК последние име­ют меньшие габариты и вес. ОВ изготавливают из широко распро­страненных и недорогих материалов (двуокись кремния, полимеры). В настоящее время стоимость кварцевого ОВ не превышает половины стоимости медной пары.

Недостаток современных ВОСП — высокая стоимость интерфейсно­го и монтажного оборудования. Однако улучшение конструкции и повы­шение надежности оптических передатчиков, приемников и пассивных элементов линейного тракта позволяют постоянно снижать стоимость производства волоконно-оптической продукции, а совершенствование технологии монтажа ОК и соединительных элементов, а также упроще­ние используемого оборудования приводят к существенному уменьше­нию трудоемкости строительно-монтажных работ.

Определяющим фактором в развитии оптических систем передачи явилось создание в 1960 г. оптического квантового генератора (лазера). Возможность применения интенсивного слаборасходящегося лазерного луча для передачи информации пробудила интерес к оптическим мето­дам передачи сигналов и стимулировала работы в этом направлении. В результате сразу же появились оптические системы передачи с от­крытым распространением сигналов, главное преимущество которых - огромная информационная емкость, обусловленная чрезвычайно высо­кой частотой оптической несущей (порядка 10¹⁴ Гц).

Недостатки открытых оптических систем передачи, прежде всего сильное ослабление и искажение сигналов в среде распространения (кроме космоса), вызвали необходимость использования направляю­щей системы - оптического волокна, в котором сигналы не подвер­жены действию внешних помех.

Идея волоконно-оптической передачи была сформулирована еще в 1910 г. Д. Хондросом и П. Дебаем, которые рассматривали распростра­нение электромагнитных волн в диэлектрических стержнях. Н.С. Капани в 1958 г. предложил конструкцию ступенчатого ОВ, а в 1969 г. Н. Ушида впервые изготовил градиентное ОВ.

Первоначально для изготовления ОВ применяли многокомпонент­ные стекла, обладающие высокими оптическими потерями. Такие ОВ были практически непригодны для систем передачи информации.

Началом современного этапа разработки и использования ВОСП можно считать 1970 г., когда компания Corning Glass Works изготовила кварцевое ОВ с затуханием 16 дБ/км на длине волны А = 0,633 мкм. В том же году под руководством академика, лауреата Нобелевской пре­мии 2000 г. Ж.И. Алферова впервые был реализован полупроводнико­вый лазер на основе двойной гетероструктуры AlAs-GaAs с непрерывной генерацией при комнатной температуре, а затем и быстродействующие, малошумящие фотоприемники ближней инфракрасной области спектра. Это послужило толчком к практической реализации ВОСП. В последу­ющие годы были достигнуты огромные успехи в разработке и изгото­влении источников излучения, фотоприемников, оптических разъемов, регенераторов и других компонентов ВОСП. Почти на два порядка бы­ли снижены потери в ОВ, которые в настоящее время в области длин волн А = 1,55...1,60 мкм близки к теоретическому пределу и соста­вляют 0,16...0,20 дБ/км. Были изготовлены одномодовые ступенчатые ОВ, одномодовые ОВ со смещенной нулевой и ненулевой дисперсией. Разрабатывались и совершенствовались конструкции ОК на основе ОВ различных типов. Одновременно развивались те области электроники и машиностроения, которые обеспечивали создание ОК и компонентов ВОСП, а также технологического оборудования и контрольно-измери­тельной аппаратуры. В результате производство волоконно-оптической продукции стало крупной промышленной отраслью.

Первые ВОСП, введенные в эксплуатацию в начале 80-х годов, ра­ботали на длине волны А = 0,85 мкм с применением многомодового ОК. Основной областью их внедрения были соединительные линии ме­жду автоматическими телефонными станциями (АТС) в крупных городах. С середины 80-х годов начинается распространение ВОСП, работаю­щих на длине волны А = 1,3 мкм по многомодовому и одномодовому ОК. Уменьшение затухания ОК позволило увеличить в три раза длину каждого из регенерационных участков, что способствовало широкому распространению магистральных ВОСП. Внедряемые с конца 80-х гг. ВОСП в основном работали по одномодовому ОК, что резко повысило пропускную способность магистральных линий передачи. Широкое ис­пользование длины волны Л = 1,55 мкм в свою очередь стимулировало переход от строительства отдельных линий к построению телекоммуни­кационных сетей с преимущественным применением ОК.

Наиболее характерным событием развития ВОСП явилось созда­ние в 1988 г. первой трансатлантической магистрали ТАТ-8. Ее срав­нение с первой подводной кабельной линией на металлическом кабе­ле ТАТ-1 (1956 г.) показало, что стоимость одного канала уменьши­лась в 100 раз. Это обстоятельство привело к тому, что генеральным направлением последующего десятилетия явилось построение стреми­тельными темпами сверхпротяженных подводных и подземных ВОСП. Кроме трансатлантических и транстихоокеанских магистралей следует выделить магистраль ТАЕ (Trans Asia Europe), проходящую по «шелко­вому пути», подводную магистраль FLAG (Fiber Optic Link Around the Globe - волоконно-оптическая линия связи земного шара) и SEA-ME-WE-3 (South-East Asia-Middle East-East-Western Europe - линия связи Юго-Восточная Азия - Ближний Восток - Западная Европа).

Вторая половина 90-х годов характеризуется вхождением России в мировое телекоммуникационное пространство. Проложены сотни ком­мерческих ВОСП на импортных комплектующих, ведущие предприя­тия кабельной промышленности развернули производство высококаче­ственных ОК, не уступающих аналогичным зарубежным образцам, но значительно дешевле. В 2000 г. Россия полностью прекратила закуп­ки ОК за рубежом.

Но главным достижением этого периода, снивелировавшим тех­ническое отставание России от ведущих стран мира в развитии теле­коммуникационных систем, явилось сооружение Трансроссийской ли­нии связи (ТЛС) в несколько этапов. В 1993 г. был создан Запад­ный комплекс международной связи Россия - Дания (Москва - Санкт-Петербург- Копенгаген). В 1995 г. на Дальнем Востоке были введены две линии, соединившие г. Находка с г. Наоэцу (Япония) и г. Пусан (Ю. Корея). В 1996 г. было закончено строительство Южного комплекса международной связи Россия - Украина - Турция - Италия (Москва - Ростов-на-Дону - Новороссийск - Стамбул - Палермо). В том же году введен в эксплуатацию Центральный комплекс связи Москва - Хаба­ровск. Эта самая длинная в мире радиорелейная цифровая супермаги­страль объединила в единую систему междугородную и международную сети связи страны. И наконец, в 1999 г. было закончено строительство последнего, очень сложного участка ТЛС Новосибирск - Хабаровск, со­стоящего из подземного и подвесного ОК.

Трансроссийская линия связи представляет собой комплекс совре­менных цифровых ВОСП, резервируемых в большей части радиорелей­ными линиями. Длина подземных ВОСП составляет 9000 км, подводных - более 6000 км, подвешенных на опорах линий электропередач (ЛЭП) (с ОК в грозозащитном тросе) - порядка 4000 км. Общая протяжен­ность цифровых радиорелейных линий достигает 11000 км. Значимость ТЛС в том, что она, во-первых, замыкает глобальное информационное кольцо и, во-вторых, является основой национальной цифровой транс­портной сети России, имеющей выходы на международные телеком­муникационные сети.

На рубеже веков использование ОК в сетях распределения и мест­ных сетях заметно возросло. Так, в 1997 г. смонтированная длина ОВ распределялась между информационными сетями различного назначе­ния следующим образом: дальняя связь 37 %, сети распределения и местные сети 30 %, кабельное телевидение 17 %, другие применения одномодового и многомодового ОВ соответственно 7 и 9 %. Данные 2002 г.: дальняя связь 21 %, сети распределения и местные сети 55 %, кабельное телевидение 8 %, другие применения одномодового и много­модового ОВ соответственно 6 и 10 %. При этом необходимо учитывать, что общая длина смонтированного ОК в мире и в Европе увеличивает­ся в среднем на 15 % в год: 1997 г. - 38 и 5,7 млн. км, 2002 г. - 77 и 12,2 млн. км соответственно.

Основные физические понятия.

Когерентность (от латинского cohaerens — находящийся в связи), согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении. Колебания называются когерентными, если разность их фаз остаётся постоянной во времени и при сложении колебаний определяет амплитуду суммарного колебания.

Рекомбинация электронов и дырок в полупроводниках, исчезновение пары электрон проводимости — дырка в результате перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону. Избыток энергии может выделяться в виде излучения

Гетеропереход - р-n-переход, образованный из различных полупроводниковых материалов, например GaAs - Ga_1-xAl_xAs, которые характеризуются различной шириной запрещённой зоны р- и n- областей - E_gp и E_gn.

Инжекция – введение носителей заряда в область, где они являются не основными. При включении р-п-перехода в прямом направления потенциальный барьер, препятствующий диффузии электронов и дырок, уменьшается, следовательно, в p-область войдет добавочное количество электронов, а в n-область - дырок.

Вынужденное излучение, индуцированное излучение, испускание электромагнитного излучения квантовыми системами под действием падающего на них излучения. Фотоны, испускаемые при В. и., совпадают по частоте, направлению распространения и поляризации с фотонами, вынуждающими их испускание.

Дифракция света, явления, наблюдающиеся при распространении света мимо резких краёв непрозрачных или прозрачных тел, сквозь узкие отверстия. При этом происходит нарушение прямолинейности распространения света, т. е. отклонение от законов геометрической оптики.

2.1. Передающие оптоэлектронные модули

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), применяемые в волоконно-оптических системах, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Последние должны быть введены в волокно с минимальными потерями. Производятся весьма разнообразные ПОМ, отличающиеся по конструкции, а также по типу источника излучения. Одни работают на телефонных скоростях с максимальным расстоянием до нескольких сот метров, другие передают сотни и даже тысячи мегабит в секунду на расстояния в несколько десятки-сотни километров.