Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 16
Тем 7 . Оптико –волоконные линии связи.
Занятие 5. Оптические изоляторы
Оптический сигнал, распространяясь по волокну, отражается от различных неоднородностей, в особенности от мест сухого стыка, образуемых оптическими соединителями. В результате такого отражения часть энергии возвращается обратно. Если в качестве источников излучения используются лазерные диоды, то отраженный сигнал, попадая в резонатор лазера, способен индуцировано усиливаться, приводя к паразитному сигналу. Особенно это не желательно, когда источник излучения генерирует цифровой широкополосный сигнал (>100 МГц), или аналоговый широкополосный сигнал (в смешанных волоконно-коаксиальных сетях кабельного телевидения до 1 ГГц). В сложных широкополосных сетях, когда имеется множество подключений коннекторов и другие оптические устройства (разветвители, WDM устройства, оптические усилители), такая обратная связь усиливается и приводит к росту уровня шума источника излучения. Наиболее кардинальный способ подавления обратного потока основан на использовании оптических изоляторов. Оптический изолятор обеспечивает пропускание света в одном направлении почти без потерь, а в другом (обратном) направлении с большим затуханием. Оптические изоляторы сегодня являются ключевым элементом многих лазерных систем, оптических усилителей, а также используются в качестве отдельного элемента оптической линии связи.
Вращение плоскости поляризации
В основе работы оптического изолятора лежит эффект Фарадея - вращение плоскости поляризации света оптически неактивными веществами под действием продольного магнитного поля.
Угол поворота плоскости поляризации равен
Ө = VBzd
где V - постоянная Верде (Ver- det) - удельное магнитное вращение, зависящая от природы вещества, температуры и длины волны света, Bz - продольная составляющая индукции магнитного поля, d - длина пути света в веществе - размер ячейки Фарадея. Направление вращения зависит только от природы вещества и направления магнитного поля. Знак вращения отсчитывается для наблюдателя, смотрящего вдоль магнитного поля. Магнитное вращение плоскости поляризации обусловлено возникновением асимметрии оптических свойств вещества под действием магнитного поля.
Зависимость вращения плоскости поляризации от длины волны света называется вращательной дисперсией. В первом приближении в области достаточно малых длин волн, удаленных от полос поглощения света веществом, угол вращения плоскости поляризации зависит от длины волны света λ по закону Био:
Ө ~λ-2
Принцип действия оптического изолятора
Оптический изолятор состоит из трех элементов: поляризатора 1 (входного поляризатора), ячейки Фарадея 2 и анализатора 3 (выходного поляризатора), рис. 3.17. Параметры ячейки Фарадея выбираются так, чтобы ось поляризации света, проходящего через нее, разворачивалась на 45°. Под таким же углом устанавливаются оси поляризаторов.
Входной полезный сигнал, проходя через поляризатор 1, оставляет свою вертикальную составляющую без изменения, устраняя горизонтальную составляющую, рис. 3.17 а. Далее вертикально поляризованный свет проходит через ячейку Фарадея 2, разворачивает плоскость поляризации на 45o и беспрепятственно проходит через анализатор 3.
При распространении света в обратном направлении (рис. 3.17 б) он также поляризуется в плоскости анализатора 3, затем, проходя через ячейку Фарадея 2, становится горизонтально поляризованным. Таким образом, оси поляризации света и поляризатора 1 составляют угол 90o, поэтому поляризатор 1 не пропускает обратное излучение.
Технические параметры
Основными требованиями, предъявляемыми к оптическому изолятору, являются малые вносимые потери в прямом направлении (~ 1-2 дБ) и высокая изоляция (потери при распространении обратного сигнала) в обратном направлении (>30 дБ). Кроме того, должны обеспечиваться прозрачность во всем диапазоне рабочих длин волн, стабильность параметров при изменении температуры. В диапазоне длин волн 1,3-1,55 мкм магнитооптическим материалом, используемом в ячейке Фарадея, является Y3Fe3O12. На длине волны 0,85 мкм используется парамагнитное стекло.
Параметры оптических изоляторов, выпускаемых фирмами EOT (Electro-Optic Technology), OFR (Optical For Research, Inc.) приведены в табл. 3.8.
Оптические изоляторы часто интегрируются в лазерный передающий модуль. Высокая эффективность такого решения связана с тем, что выходной оптический сигнал от лазерного светодиода имеет эллиптическую поляризацию. Оптический изолятор устанавливается так, чтобы плоскость поляризации анализатора 1 совпадала с плоскостью поляризации максимальной составляющей выходного сигнала от лазерного светодиода.
Оптические изоляторы также являются неотъемлемой частью оптических усилителей на примесном волокне. В этом случае устанавливается пара оптических изоляторов - один на входе, другой на выходе оптического усилителя. Поскольку оптические усилители, как правило, осуществляют усиление мультиплексного оптического сигнала, то необходимо, чтобы оптические изоляторы имели высокие характеристики во всем диапазоне длин волн, представленных в оптическом сигнале. Для этой цели используются специальные широкозонные оптические изоляторы.
Другие специальные пассивные компоненты ВОЛС.
Аттенюаторы
Аттенюаторы используются с целью уменьшения мощности входного оптического сигнала. Такая необходимость может возникнуть как при передаче цифрового, так и аналогового сигнала. При цифровой передаче большой уровень способен привести к насыщению приемного оптоэлектронного модуля. При передаче аналогового сигнала чрезмерно высокий уровень приводит к нелинейным искажениям и ухудшению изображения. По принципу действия аттенюаторы бывают переменные и фиксированные.
Переменные аттенюаторы допускают регулировку величины затухания в пределах 0-20 дБ для многомодовых и одномодовых волокон с точностью установки величины затухания 0,5 дБ. Регулировка достигается путем изменения величины воздушного зазора.
Фиксированные аттенюаторы имеют установленное изготовителем значение затухания, величина которого может составлять 0, 5, 10, 15 или 20 дБ. Затухание может вноситься посредством воздушного зазора фиксированной величины, или посредством специального поглощающего фильтра, встроенного в аттенюатор. В последнем случае значительно уменьшается обратное отражение, поскольку фильтр имеет близкий к волокну показатель преломления, что сильно уменьшает обратное френелевское рассеяние.
Доступны разнообразные исполнения аттенюаторов: аттенюаторы-шнуры, аттенюаторы- розетки, аттенюаторы-FM розетки.
Аттенюаторы-шнуры оконцовываются с обеих сторон стандартными соединителями (ST, SC или FC). Затухание в шнуре обеспечивается благодаря специальному волокну.
Аттенюаторы-розетки бывают как переменные (с регулируемым воздушным зазором), так и фиксированные (с нерегулируемым воздушным зазором или фильтром).
Аттенюаторы-FM розетки, рис. 3.18, устанавливаемые между стандартной переходной розеткой и оптическим соединителем, обычно выпускаются с фиксированным набором значений затухания 5, 10,15 и 20 дБ (затухание обеспечивается либо нерегулируемым воздушным зазором, либо фильтром).
В широкополосных сетях кабельного телевидения при использовании гибридных волоконно-коаксиальных архитектур HFC обратное отражение, вносимое аттенюатором с воздушным зазором, может оказаться слишком большим. Значительно уменьшить обратное отражение можно, используя аттенюаторы со скошенным под углом 80 наконечником для подключения к соединителю FC/APC или SC/APC.
Оптические переключатели
Оптические переключатели осуществляют механическую, то есть без оптоэлектронного преобразования, коммутацию одного или нескольких оптических сигналов, переходящих из одних волокон в другие. При этом управление процессом переключения может быть ручное, например при помощи тумблера, или электрическое, при помощи электрического потенциала. Последний тип переключателей более распространен. Основная область применения - в составе оборудования для тестирования и мониторинга ВОЛС, а также в составе системы, обеспечивающей повышенную надежность (как, например, оптический обходной переключатель в технологии FDDI). Реализации отличаются функциональными возможностями: количеством входных и выходных волокон-полюсов и типом волокон (многомодовое или одномодовое), возможностью неблокирующей коммутации сигналов, а также техническими характеристиками, из которых наиболее важные: вносимые потери, обратное отражение, время срабатывания, влияние параметров окружающей среды, наработка на отказ. Разные инженерные технологии используются при коммутации, например, поворотные бипризмы, поворотные зеркала или подвижные волокна. Оптические переключатели являются изотропными устройствами - вносимые потери не зависят от направления распространения сигнала.
Различают несколько типов оптических переключателей:
В технологии FDDI используется 8-полюсный (4 входных и 4 выходных) оптический обходной переключатель OBS (optical bypass switch), причем он может находиться либо в основном состоянии с коммутаций полюсов: вх1-вых1, вх2-вых2, вх3-вых3, вх4-вых4; либо в байпасовом состоянии с коммутацией полюсов: вх1-вых2, вх2-вых1, вх3-вых4, вх4-вых3.
Количество выходных полюсов в зависимости от модели может быть от двух до нескольких десятков. Из-за наличия механического элемента с ростом количества полюсов время срабатывания оптического переключателя, управляемого электрическим потенциалом, возрастает и может варьироваться в пределах от 25 мс до 500 мс.
Фирма DiCon Fiberoptics выпускает переключатели с количеством выходных полюсов до 100, с ручным или через стандартные физические электрические интерфейсы управлением (RS-232, RS-485). В табл. 3.9 приведены основные характеристики малопортовых переключателей этой фирмы.
Крупными поставщиками оптических переключателей являются: AMP, DiCon, Fibertron, JSD Fitel, Molex, NetOptics.
Соединительные герметичные муфты
При прокладке протяженной линии связи на один линейный участок между приемопередающим оборудованием может приходиться от единиц до нескольких десятков строительных длин ВОК. В местах сопряжения кусков оптических кабелей обычно производится сварка волокон с последующей надежной защитой мест сварки. Для этой цели используются соединительные муфты, основная задача которых - герметично на длительной срок закрыть область сваренных волокон . Муфты могут предназначаться для укладки в грунте, на дне рек, океанов, для подвески на опоры вдоль линии электропередач и т.д.
Наряду со специализированными поставляются и универсальные муфты, которые могут обеспечивать внешнюю защиту сразу нескольким широко используемым типам кабелей - для прокладки в грунт, в кабельную канализацию и для подвески на опорах. Примеры соединительных муфт показаны на рис. 3.20.
Оптические распределительные и
коммутационные устройства
Когда ВОК наружной прокладки (линейный ВОК) заходит внутрь здания, его, как правило, не подключают непосредственно к приемо-передающему оборудованию (оптическим трансиверам). Такое решение было бы ненадежным и негибким. Обычно предварительно выполняется терминирование волокон линейного ВОК.
Терминирование ВОК
Терминированием называется оконцевание волокон ВОК оптическими коннекторами и последующее подключение оконцованных волокон к переходным розеткам, закрепленным на оптической распределительной панели/коробке, для обеспечения дальнейшей связи с сетевым оборудованием через оптические соединительные шнуры.
Различают три способа терминирования ВОК: непосредственное терминирование; терминирование через сварку с заранее подготовленными, оконцованными с одной стороны волокнами (pig-tail-ами); терминирование через сварку с волокнами станционного ВОК.
Непосредственное терминирование подразумевает оконцевание волокон линейного ВОК коннекторами, которые затем подключаются к переходным розеткам, установленным на специальной оптической панели, рис. 3.21 а. Такое непосредственное оконцевание удобней производить в лабораторных или заводских условиях.
Терминирование через сварку с pig-tail-ами основано на сварке волокон линейного ВОК с волокнами заранее подготовленных так называемых pig-tail-ов.
Pig-tail - это оптическое волокно в буферном покрытии длиной обычно до одного метра, оконцованное соединителем с одной стороны. Посредством соединителя волокно подключается к переходным розеткам оптической панели, рис. 3.21 б. В этом способе обычно сплайс пластины, в которые укладывают сваренные волокна, размещаются внутри той же панели, на которой устанавливаются переходные розетки.
Терминирование через сварку с волокнами станционного ВОК выполняется на оптических узлах с большой концентрацией волокон. В таких случаях под размещение сплайс пластин может быть выделено отдельное устройство (сплайс-панель, или сплайс-шкаф). Волокна линейного ВОК сваривают с волокнами притерминированного оптического кабеля для внутренней прокладки (станционного ВОК) , рис. 3.21 в. Длина станционного ВОК может варьироваться от нескольких метров до нескольких километров. Одно из главных требований, которое предъявляется к станционному ВОК, - это отсутствие галогеносодержащих соединений в составе оболочки кабеля.
При сварке волокон не требуется на месте монтажа столь большого набора инструментов и материалов, как при оконцевании. Кроме того, процесс сварки отнимает значительно меньше времени. Поэтому терминирование волокон через сварку получило значительно большее распространение, чем непосредственное терминирование.
После выполнения терминирования линейного ВОК производят подключение сетевого оборудования. Для этого могут использоваться одноволоконные (одиночные), двухволоконные (двойные) оптические шнуры или оконцованные с обоих сторон многоволоконные станционные ВОК.
Оптический узел
В здание может заходить несколько линейных ВОК. В этом случае, наряду с задачей подключения приемо-передающего оборудования, может стоять задача внутренней коммутации (кросс-коммутации) волокон линейных ВОК.
Оптический узел является тем центром, где осуществляются разнообразные сопряжения волокон внешних и внутренних ВОК. Основные требования, которые предъявляются к оптическому узлу, - это его надежность и гибкость. По масштабу выполняемых функций оптические узлы можно разделить на: оптические распределительные устройства; оптические кроссовые устройства.
Оптические распределительные устройства (ОРУ)
ОРУ могут устанавливаться в тех случаях, когда не требуется сложная коммутация волокон, например на удаленном сетевом узле или в центральном узле с небольшой концентрацией волокон. Как правило, ОРУ используются при построении волоконно-оптических магистралей локальных сетей на предприятиях, или при организации удаленного узла оптической телекоммуникационной системы. По способу терминирования волокон ОРУ относятся ко второму варианту - терминирование через сварку с pig-tail-ами.
К крупным зарубежным производителям ОРУ относятся ADC Telecommunications, AMP, Optronics, Telect, AT&T, появляются производители в Тайване.
В России ОРУ поставляются такими фирмами, как: "Вимком-Оптик", "Перспективные технологии", "Телеком Комплект Сервис".
В качестве ОРУ могут выступать: оптические распределительные коробки, оптические распределительные панели, оптические распределительные шкафы.
Оптические распределительные коробки (ОРК) предназначены для крепления на стену и выполняют функцию терминирования волокон внешнего ВОК требуемым типом оптических соединительных розеток, рис. 3.22.
При монтаже ОРК происходит сварка оптических волокон предварительно разделанного внешнего кабеля с волокнами pig-tail-ов. Места сварки защищаются термоусаживающимися защитными гильзами (см. п. 3.2. Сварное соединение волокон) , которые крепится в специальное гнездо. Pig-tail с внутренней стороны подключается к переходной розетке, установленной на боковой панели ОРК. Излишки волокон внешнего кабеля и pig-tail-ов укладываются в сплайс пластину(ы). Pig-tail-ы заготавливаются заранее с типом коннектора, соответствующим типу переходных розеток.
Наиболее распространенными типами розеток для многомодового волокна являются FC mm и SC mm, а для одномодового волокна - FC sm, SC sm. Оптические соединительные шнуры подключаются к соединительным розеткам с наружной стороны коробки.
К недостаткам ОРК можно отнести слабую защищенность оптических шнуров, неудобства наращивания системы, а также тот факт, что не все ОРК имеют возможность хранения излишков оптических шнуров. Преимущества ОРК - это простота конструкции, невысокая стоимость, отсутствие необходимости использования стойки. На рис. 3.23 показаны некоторые выпускаемые модели ОРК.
Оптические распределительные панели (ОРП) в отличие от ОРК крепятся в стойку. Стоечный вариант дает больше преимуществ особенно тогда, когда приемо-передающее оборудование находится в той же стойке. Здесь упрощается подключение оптических шнуров. Концентрация оборудования в одной стойке повышает надежность системы и облегчает обслуживание. На рис. 3.24 показаны примеры ОРП. На рис. 3.24 а показана панель для терминирования, совмещенная со сплайс-модулем. Такая панель в количестве одной или нескольких штук может устанавливаться на небольших коммутационных узлах.
На рис. 3.24 б показана панель, предназначенная для непосредственного терминирования. Сплайс-бокс, от которого идет станционный кабель к этой панели, может находиться в другой части той же стойки-секции или в другом помещении. Эта панель предназначена для использования на крупных коммутационных узлах.
Оптические распределительные панели с притерминированным ВОК изготавливаются в заводских условиях и поставляются вместе с катушкой оптического кабеля, рис. 3.25. Допускается как стандартное исполнение, когда ОРП крепится в стойку до того, как начинает разматываться кабель, так и модифицированное исполнение, когда ОРП остается прикрепленной к катушке и вращается вместе с катушкой по мере разматывания кабеля. В модифицированном варианте ОРП можно отделить от катушки и установить в стойку, только после того, как весь кабель размотан. Модифицированный вариант хорошо подходит в тех случаях, когда кабель приходится протягивать через узкие отверстия. Зная расстояние до сплайс узла, можно в заказе притерминированной ОРП указывать соответствующую длину кабеля. Также при оформлении заказа можно задать требуемый стандарт соединителей и розеток, а также выбрать подходящее количество волокон, и тип ВОК.
Оптические распределительные шкафы (ОРШ) предназначены для терминирования волокон одного или нескольких внешних оптических кабелей. Шкафы выпускаются как для установки на пол, так и крепящиеся на стену. ОРШ отличаются от ОРК большими размерами и значительно большей емкостью волокон. ОРШ оснащаются дверцей и могут закрываться на ключ.
Приведем технические параметры ОРШ типа SFET, производства фирмы ADC Telecommunications [23].
Размеры (высота x ширина x глубина), см 91,4 x 81,3 x 33,2
Масса, кг 11,3
Число гермовводов сверху/снизу, шт 14 (7+7) / 14 (7+7)
Максимальное число терминирований, шт 144
Стандарты розеток (допускается смешанное использование) SC, FC, ST, D4
Шкаф SFET настенного крепления предназначен для организации терминирования ВОК с возможностью кросс-коннектных и интерконнектных соединений. Шкаф может служить демаркационным узлом между линейными и станционными ВОК.
Оптические кроссовые устройства (ОКУ)
При построении оптических узлов с большим количеством волокон от приходящих линейных ВОК (>100) эффективность использования оптических распределительных устройств снижается. Для этой цели начинают лучше подходить специализированные кроссовые устройства, в которых задача коммутации волокон выходит на первый план при сохранении задачи распределения волокон. Они различаются емкостью и подразделяются на: оптические кроссы средней плотности - (внешних волокон 120-500) и оптические кроссы высокой (сверхвысокой) плотности - (внешних волокон >500).
Концепции оптических кроссов подробней описаны в следующем параграфе.
Производители оптического распределительного и кроссового оборудования
В число крупных мировых производителей оптического распределительного и коммутационного оборудования входят компании: 3M; ADC Telecommunications; Lucent Technologies; Molex; Nortel; Reltec; Siecor; Telect.
Оптические кроссовые устройства главным образом применяются для организации центральных оптических узлов с большой концентрацией волокон. К таким узлам относятся центры телефонной коммутации, центры коммутации магистралей SDH/ATM. А заказчиками могут быть как телефонные компании, так и крупные операторы связи. В силу своего масштаба ОКУ несут значительно большую нагрузку, чем ОРУ. Сегодня стремительному росту применения оптических кроссовых устройств способствуют такие телекоммуникационные концепции, как "волокно в каждый дом" и "all-optical networks".