Зміст

Введення 4
Обгрунтування реконструкції магістральної ВОЛЗ 6
Глава 1. Основні принципи цифрової системи передачі STM-64 7

1.1. Основи синхронної цифрової ієрархії 7

1.2. Методи мультиплексування інформаційних потоків 10

1.2.1. Метод тимчасового мультиплексування (ТDМ) 10

1.2.2. Метод частотного ущільнення (FDM) 11

1.2.3. Ущільнення по поляризації (PDM) 11

1.2.4. Многоволновое мультиплексування оптичних несучих (WDM)

12
Глава 2. Основні відомості про ВОЛЗ 15

2.1. Волоконно-оптичні кабелі 18

2.1.1. З'єднання оптичних волокон 19

2.2. Оптичне волокно. Загальні положення 20

2.3. Розповсюдження світлових променів в оптичних волокнах 21

2.4. Моди, що розповсюджуються в оптичних хвилеводах 22

2.5. Одномодові оптичні волокна 25

2.6. Константа поширення і фазова швидкість 28
Глава 3. Процеси, що відбуваються в оптичному волокні, і їх вплив нашвидкість і дальність передачі інформації 31

3.1. Загасання оптичного волокна 31

3.2. Дисперсія 34

3.3. Розповсюдження світлових імпульсів в середовищі з дисперсією 38

3.3.1. Фізична природа хроматичної дисперсії 43

3.3.2. Вплив хроматичної дисперсії на роботу систем зв'язку 44

3.4. Поляризаційна модів дисперсія 44

3.4.1. Природа поляризаційних ефектів в одномодовим оптичному волокні 45

3.4.2. Контроль PMD в процесі експлуатації ВОСП. 50
Глава 4. Методи компенсації хроматичної дисперсії 51

4.1. Огляд методів компенсації дисперсії 51

4.1.1. Оптичне волокно, що компенсує дисперсію. 53

4.1.2. Компенсатори на основі брегговскіх решіток із змінним періодом. 55

4.1.3. Компенсатори хроматичної дисперсії на основі планарних інтерферометрів і мікро-оптичних пристроїв. 58

4.1.4. Способи компенсації дисперсії, засновані на управлінні передавачем або приймачем випромінювання. 60
Глава 5. Розрахунок технічних характеристик магістральної ВОЛЗ 62

5.1. Паспортні технічні дані приймально-передавального обладнання та

ВОК, що використовуються при розрахунках дисперсії і загасання 62

5.2. Розрахунок дисперсії ВОЛЗ 63

5.2.1. Розрахунок поляризаційною модової дисперсії 64

5.2.2. Розрахунок хроматичної дисперсії 64

5.3. Розрахунок енергетичного бюджету 66

5.4. Розрахунок лінії зв'язку з урахуванням компенсації дисперсії 66
Висновок 69
Список використаних джерел інформації 71
Список прийнятих скорочень 72

Додаток

Введення

Світ телекомунікацій і передачі даних зіштовхується з динамічнозростаючим попитом на частотні ресурси. Ця тенденція в основному пов'язана ззбільшенням числа користувачів Internet і також зі зростаючою взаємодієюміжнародних операторів і збільшенням обсягів переданої інформації.
Смуга пропускання в розрахунку на одного користувача стрімкозбільшується. Тому постачальники засобів зв'язку при побудові сучаснихінформаційних мереж використовують волоконно-оптичні кабельні системинайбільш часто. Це стосується як побудови протяжнихтелекомунікаційних магістралей, так і локальних обчислювальних мереж.
Оптичне волокно (ОВ) в даний час вважається найдосконалішимфізичним середовищем для передачі інформації, а також найбільш перспективноюсередовищем для передачі великих потоків інформації на значні відстані.
Сьогодні волоконна оптика знаходить застосування практично у всіх завданнях,пов'язаних з передачею інформації.

Широкомасштабне використання волоконно-оптичних ліній зв'язку
(ВОЛЗ) почалося приблизно 40 років тому, коли прогрес в технологіївиготовлення волокна дозволив будувати лінії великої протяжності. Заразобсяги інсталяцій ВОЛЗ значно зросли. У міжрегіональному масштабіслід виділити будівництво волоконно-оптичних мереж синхронноїцифрової ієрархії (SDH). Стрімко входять в наше життя волоконно -оптичні інтерфейси в локальних і регіональних мережах Ethernet, FDDI, Fast
Ethernet, Gigabit Ethernet, ATM.

В даний час по всьому світу постачальники послуг зв'язку прокладаютьза рік десятки тисяч кілометрів волоконно-оптичних кабелів під землею, задну океанів, річок, на ЛЕП, в тунелях і колекторах. Безліч компаній, утому числі найбільші: IBM, Lucent Technologies, Nortel, Corning, Alcoa
Fujikura, Siemens, Pirelli ведуть інтенсивні дослідження в областіволоконно-оптичних технологій. До числа найбільш прогресивних можнавіднести технологію надщільного хвильового мультиплексування по довжиніхвилі DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), яка дозволяєзначно збільшити пропускну здатність існуючих волоконно -оптичних магістралей.

Область можливих застосувань ВОЛЗ досить широка - від лінії міськийта сільського зв'язку та бортових комплексів (літаки, ракети, кораблі) досистем зв'язку на великі відстані з високою інформаційною місткістю. Наоснові оптичної волоконної зв'язку можуть бути створені принципово новісистеми передачі інформації. На базі ВОЛЗ розвивається єдиний інтегральнамережа багатоцільового призначення. Досить перспективно застосування волоконно -оптичних систем в кабельному телебаченні, яке забезпечує високуякість зображення і істотно розширює можливості інформаційногообслуговування абонентів.

Багатоканальні ВОСП широко використовуються на магістральних та зоновихмережах зв'язку країни, а також для пристрою сполучних ліній міжміськими АТС. Пояснюється це тим, що по одному ОВ може одночаснопоширюватися багато інформаційних сигналів на різних довжинах хвиль, тобтопо оптичним кабелів (ОК) можна передавати дуже великий обсяг інформації.
Особливо ефективні й економічні підводні оптичні магістралі.

У волоконно-оптичних лініях зв'язку (ВОЛЗ) цифрові системи передачізнайшли саме широке розповсюдження як найбільш прийнятні за своїмифізичним принципам для передачі.

На основі ОК створюються локальні обчислювальні мережі різноїтопології (кільцеві, зоряні та ін.) Такі мережі дозволяють об'єднуватиобчислювальні центри в єдину інформаційну систему з великою пропускноюздатністю, підвищеною якістю і захищеністю від несанкціонованогодопуску.

Легкість, малогабаритність, незаймистість ОК зробили їх вельмикорисними для монтажу і обладнання літальних апаратів, судів та іншихмобільних пристроїв.

Обгрунтування реконструкції магістральної ВОЛЗ

На ділянці Тюмень - Ялуторовськ прокладено волоконно-оптичний кабель
Fujikura OGNMLJFLAP-WAZE SM · 10/125x8C тип 3, за яким здійснюєтьсяробота цифрової системи передачі (ЦСП) STM-4, що забезпечує передачуінформації зі швидкістю 622,08 Мбіт/с.

яка використовується в даний час ЦСП не задовольняє зростаючимпотребам клієнтів в пропускної здатності волоконно-оптичної лініїзв'язку. Так як обсяг переданої інформації постійно зростає,необхідно збільшити швидкість передачі сигналів по ВОЛЗ шляхомреконструкції, яка полягає в заміні приймально-передавального обладнання
ЦСП STM-4 на STM-64.

Перед виконавцем дипломної роботи поставлені наступні завдання:

- вивчити конструкцію і параметри магістральної ВОЛЗ Тюмень-Ялуторовськ;

-- оцінити можливість передачі сигналу STM-64 за існуючою магістральної ВОЛЗ Тюмень-Ялуторовськ;

- вивчити можливі варіанти реконструкції ВОЛЗ і виділити найбільш ефективний.

Глава 1. Основні принципи цифрової системи передачі STM-64

1.1. Основи синхронної цифрової ієрархії

Структура первинної мережі зумовлює об'єднання і розділенняпотоків інформації, що передається, тому що використовуються на ній системипередачі будуються за ієрархічним принципом. Стосовно до цифровихсистемам цей принцип полягає в тому, що кількість каналів ЦСП,відповідне даному ступені ієрархії, більше числа каналів ЦСПпопередньої ступені в ціле число разів.

Аналогові системи передачі з ЧРК також будуються за ієрархічнимпринципом, але на відміну від ЦСП для них ступенями ієрархії є не самісистеми передачі, а типові групи каналів.

Цифрова система передачі, що відповідає першому ступені ієрархії,називається первинної; в цій ЦСП здійснюється пряме перетвореннявідносно невеликої кількості первинних сигналів у первинний цифровийпотік. Системи передачі другої ступені ієрархії об'єднують певнийчисло первинних потоків у вторинний цифровий потік і т.д.

У рекомендаціях МСЕ-Т представлено два типи ієрархій ЦСП:плезіохронная цифрова ієрархія PDH і синхронна цифрова ієрархія SDH.
Первинним сигналом для всіх типів ЦСП є цифровий потік зі швидкістюпередачі 64 кбіт/с, званим основним цифровим каналом (ОЦК). Дляоб'єднання сигналів ОЦК у групові високошвидкісні цифрові сигналивикористовується принцип тимчасового розділення каналів.

Нові технології телекомунікацій стали розвиватися у зв'язку зпереходом від аналогових до цифрових методів передачі даних, заснованих наімпульсно-кодової модуляції (ІКМ) і мультиплексуванні з тимчасовимрозділенням каналів. У плезіохронной цифрової ієрархії PDH мультиплексорсам вирівнює швидкості вхідних потоків шляхом додавання потрібної кількостінівелюючих біт у канали з меншими швидкостями передачі. Звідси випливалинедоліки PDH - неможливість виведення потоку з меншою швидкістю з потокуз більшою швидкістю передачі без повного демультиплексування цього потокуі видалення нівелюючих біт. Недоліки PDH викликали необхідність урозробці синхронної цифрової ієрархії SDH, яка дозволилавводити/виводити вхідні потоки без необхідності проводити їхскладання/розбирання і систематизувати ієрархічний ряд швидкостей передачі
[1].

SDH має наступні переваги перед PDH:

- спрощення мережі, викликане можливістю вводити/виводити цифрові потоки без їх складання або розбирання як у PDH; < p> - перешкодозахищеність - мережа використовує волоконно-оптичні кабелі

(BOК), передача по яких практично не схильна до дії електромагнітних перешкод;

- виділення смуги пропускання на вимогу - цей сервіс тепер може бути наданий у лічені секунди шляхом перемикання на інший

(широкосмуговий) канал;

- прозорість для передачі будь-якого трафіку - факт, обумовлений використанням віртуальних контейнерів для передачі трафіку, сформованого іншими технологіями, включаючи найсучасніші технології Frame Relay, ISDN та ATM;

- універсальність застосування - технологія використовується для створення глобальних мереж або глобальної магістралі та для корпоративної мережі, що об'єднує десятки локальних мереж;

- простота нарощування потужності - за наявності універсальної стійки для розміщення апаратури перехід на наступну більш високу швидкість ієрархії можна здійснити просто вийнявши одну групу функціональних блоків і вставивши нову (розраховану на велику швидкість) групу блоків.

SDH дозволяє організувати універсальну транспортну систему,що охоплює всі ділянки мережі і виконує функції як передачіінформації, так і контролю і управління. Вона розрахована натранспортування всіх сигналів PDH, а також всіх діючих іперспективних служб, у тому числі і широкосмугового цифрової мережі зінтеграцією служб (ISDN), що використовує асинхронний спосіб перенесення (АТМ).

Лінійні сигнали SDH організовані в так звані синхроннітранспортні модулі STM (Synchronous Transport Module) (Табл. 1.1). Першийз них - STM-1 - відповідає швидкості передачі інформації 155 Мбіт/с.
Кожен наступний має швидкість в 4 рази більшу, ніж попередній, іутворюється побайтно синхронним мультиплексуванням. В даний часексплуатуються або розробляються SDH системи зі швидкостями,відповідними остаточної версії SDH ієрархії: STM-1, STM-4, STM-16,
STM-64, STM-256 або 155,52, 622,08, 2488,32, 9953,28, 39813,12 Мбіт/с. Трипершого рівня (званих по-старому перше, четвертим і шістнадцятим) були стандартизовані в останній версії ITU-T Rec. G.707 [2].

Таблиця 1.1.

| Рівень | Модуль | Швидкість передачі |
| 1 | STM-1 | 155,52 Мбіт/с |
| 4 | STM-4 | 622,08 Мбіт/с |
| 16 | STM-16 | 2488,32 Мбіт/с |
| 64 | STM-64 | 9953,28 Мбіт/с |
| 256 | STM-256 | 39813,12 Мбіт/с |

Мультиплексування STM-1 до STM-N або STM-N в STM-4 * N здійснюєтьсябезпосередньо за схемою:. Збільшення швидкості передачі призводить дозменшення тривалості імпульсного сигналу. Оскільки при розповсюдженні по ОВвідбувається «розмивання» (див. п. 3.2.) і «напливаніе» імпульсів один наодного, при дуже довгою ВОЛЗ приймач випромінювання вже не може розпізнатиокремі імпульси. В результаті посилюються вимоги до ВОЛЗ задисперсії, яка і визначає збільшення тривалості.

1.2. Методи мультиплексування інформаційних потоків

Існує декілька способів збільшення пропускної здатностісистем передачі інформації. Більшість з них зводиться до одного з методівущільнення компонентних інформаційних потоків в один груповий, якийпередається по лінії зв'язку. Оскільки більшість з методів ущільненнязнаходить широке застосування в сучасних системах зв'язку, розглянемо коженз них.

1.2.1. Метод тимчасового мультиплексування (ТDМ)

В даний час метод тимчасового ущільнення інформаційних потоків
(TDM - Time Division Multiplexing) є найбільш поширеним. Вінзастосовується при передачі інформації в цифровому вигляді. Суть його полягає внаступному. Процес передачі розбивається на ряд тимчасових циклів, кожен зяких у свою чергу розбивається на N субціклов, де N - числоущільнюються потоків (або каналів). Кожен субцікл підрозділяється натимчасові позиції, тобто тимчасові інтервали, протягом яких передаєтьсячастина інформації одного з цифрових мультіплексіруемих потоків. Крім того,деяке число позицій відводиться для ідентифікаційних синхроімпульсів,вставок і цифрового потоку службового зв'язку.

Метод тимчасового ущільнення підрозділяється на два види - асинхроннеабо плезіохронное, тимчасове мультиплексування (PDH, ATM) і синхроннетимчасове мультиплексування (SDH). Сучасні технології дозволяютьзабезпечити швидкість передачі групового сигналу 10 Гбіт/с (STM-64).
Кілька років тому вважалося, що це межа для електронних пристроївмультиплексування. Однак, завдяки розвитку нових електроннихтехнологій (напівпровідникові структури на основі арсеніду галію,мікровакуумних елементів) вже створені лабораторні зразки електроннихмультиплексорів для швидкості 40 Гбіт/с (STM-256), підготовлені длясерійного промислового виробництва [3]. Наукові дослідження в ційобласті тривають з метою подальшого збільшення швидкості передачі.

1.2.2. Метод частотного ущільнення (FDM)

При частотному методі мультиплексування (FDM - Frequency Division
Multiplexing) кожен інформаційний потік передається з фізичного каналуна відповідній частоті - піднесучій fпн. Якщо як фізичнаканалу виступає оптичне випромінювання - оптична несуча, то вонамодулюється за інтенсивністю груповим інформаційним сигналом, спектрякого складається з ряду частот піднесуча, кількість яких дорівнює кількостікомпонентних інформаційних потоків. Частота піднесучій кожного каналувибирається виходячи з умови fпн? 10fвчп, де fпн - частота піднесе,fвчп - верхня частота спектру інформаційного потоку. Частотний інтервалміж піднесуча? fпн вибирається з умови? fпн? fвчп.

На приймальній стороні оптична несуча потрапляє на фотодетектора, нанавантаженні якого виділяється електричний груповий потік, який надходитьпісля підсилення в широкосмуговому підсилювачі прийому на входи вузькосмуговихфільтрів, центральна частота пропускання яких дорівнює одній з піднесучачастот [3].

Як компонентних потоків можуть виступати як цифрові, так іаналогові сигнали, В даний час в кабельних системах передачічастотне ущільнення застосовується в багатоканальному кабельному телебаченні,де для цієї мети відведено діапазон частот 47 - 860 МГц, тобто як метровий,так і дециметровий діапазони ТБ.

1.2.3. Ущільнення по поляризації (PDM)

Ущільнення потоків інформації за допомогою оптичних несучих, що маютьлінійну поляризацію, називається ущільненням по поляризації (PDM -
Polarization Division Multiplexing). При цьому площина поляризації кожнійнесучої повинна бути розташована під своїм кутом. Мультиплексуванняздійснюється за допомогою спеціальних оптичних призм, наприклад, призми
Рошона. Поляризаційно мультиплексування можливо тільки тоді, коли всередовища передачі відсутня оптична анізотропія, тобто волокно не повинномати локальних неоднорідностей і вигинів. Це одна з причин вельмиобмеженого застосування даного методу ущільнення. Зокрема, вінзастосовується в оптичних ізоляторах, а також в оптичних волоконнихпідсилювачі, які використовуються в пристроях накачування ербіевого волокнадля складання випромінювання накачування двох лазерів, випромінювання яких маєвиражену поляризацію у вигляді витягнутого еліпса [3].

1.2.4. Многоволновое мультиплексування оптичних несучих (WDM)

Рішення завдання подальшого зростання пропускної спроможності ВОСП шляхомзбільшення швидкості передачі за допомогою TDM обмежується не тількитехнологічними труднощами при електронному тимчасове ущільненні, а йобмеженнями, викликаними тимчасової (хроматичної) дисперсією оптичнихімпульсів у процесі їх розповсюдження в ОВ. Це наочно видно ззіставлення допустимих величин хроматичної дисперсії для системпередачі STM-16 та STM-64 відповідно: 10500 пс/нм і 1600 пс/нм іполяризаційною модової дисперсії - 40 пс і 10 пс.

Вказана вище завдання успішно вирішується за допомогою оптичногомультиплексування з розділенням по довжині хвиль - WDM (Wavelength Division
Multiplexing). Суть цього методу полягає в тому, що m інформаційнихцифрових потоків, які переносяться кожен на своїй оптичної несучої на довжиніхвилі? m і рознесені в просторі, за допомогою спеціальних пристроїв --оптичних мультиплексорів (ОМ) - об'єднуються в один оптичний потік
? 1 ..? M, після чого він вводиться в оптичне волокно. На приймальній стороніпроводиться зворотна операція демультиплексування. Орієнтовна структурнасхема такої системи з WDM представлена на рис. 1.1.

Оптичні параметри систем WDM регламентуються рекомендаціями, вяких визначені довжини хвиль і оптичні частоти для кожного каналу.
Згідно з цими рекомендаціями, многоволновие системи передачі працюють в 3-мувікні прозорості ОВ, тобто в діапазоні довжин хвиль 1530-1565 нм. Для цьоговстановлений стандарт довжин хвиль, що представляє собою сітку оптичнихчастот, в якій розписані регламентовані значення оптичних частот удіапазоні 196,1-192,1 ТГц з інтервалами 100 ГГц і довжини хвиль - 1528,77 -
1560,61 нм з інтервалом 0,8 нм. Стандарт складається з 41 довжини хвилі, тобторозрахований на 41 спектральний канал. Але на практиці використовується 39 каналівз представленої сітки частот, оскільки два крайніх не використовуються, такяк вони знаходяться на схилах частотної характеристики оптичнихпідсилювачів, які застосовуються в системах WDM.

Рис. 1.1. Найпростіша структурна схема системи передачі WDM.

Останнім часом встановилася чітка тенденція зменшення частотногоінтервалу між спектральними каналами до 50 ГГц і навіть до 25 ГГц, щопризводить до більш щільному розташуванню спектральних каналів у відведеномудіапазоні довжин хвиль (1530-1565 нм). Таке ущільнення отримало назву
DWDM. Очевидно, що DWDM викликане прагненням збільшити кількістьпереданих каналів. Відзначимо також, що в даний час абревіатура
DWDM закріпилася і для систем з многоволновим ущільненням, у якихчастотний інтервал між каналами дорівнює 100 ГГц.

В даний час в обладнанні систем зв'язку з DWDM, розрахованихдля передачі до 32-х каналів, ряд фірм застосовує довжину хвилі 1510 нм, адеякі - 1625 нм. Але зі збільшенням кількості переданих каналів до
128 і більше виникає необхідність освоєння більш довгохвильової частиниоптичного спектру, зокрема L-діапазону (або 4-е вікно прозорості
ОВ), до якого входитиме довжина хвилі 1625 нм.

Створення систем передачі DWDM потребувало розробки цілого ряду якактивних, так і пасивних квантових і оптичних елементів і пристроїв звисокостабільним параметрами. Сюди відносяться напівпровідникові лазери звузької спектральної шириною лінії випромінювання (менше 0,05 нм) при стабільностіне гірше ± 0,04 нм. Волоконно-оптичні підсилювачі повинні мати стабільнийкоефіцієнт посилення, малу нерівномірність коефіцієнта посилення, (<± 0,5дБ) в усьому спектральному діапазоні посилення та ряд інших характеристик.
Серед пасивних елементів найбільш відповідальними є оптичнімультиплексори/демультіплексори для великої кількості каналів при роботів одному вікні прозорості (1530-1565 нм). Розладі по довжині хвилі цихелементів не повинна перевищувати 0,05 нм. Така стабільність забезпечуєтьсяжорсткої температурної стабілізацією цих елементів з точністю не гірше ±
1 ° С. Все це різко підвищує вартість систем DWDM.

Глава 2. Основні відомості про ВОЛЗ

У волоконно-оптичних системах передачі (ВОСП) інформація передаєтьсяелектромагнітними хвилями високої частоти, близько 200 ТГц, що відповідаєближнього інфрачервоного діапазону оптичного спектру 1500 нм. Хвилеводом,переносить інформаційні сигнали в ВОСП, є оптичне волокно
(ОВ), що володіє важливою здатністю передавати світлове випромінювання навеликі відстані з малими втратами. Втрати в ОВ кількіснохарактеризуються загасанням. Швидкість і дальність передачі інформаціївизначаються спотворенням оптичних сигналів через дисперсії і згасання.
Волоконно-оптична мережа - це інформаційна мережа, сполучними елементамиміж вузлами якої є волоконно-оптичні лінії зв'язку. Технологіїволоконно-оптичних мереж крім питань волоконної оптики охоплюютьтакож питання, що стосуються електронного передавального обладнання, йогостандартизації, протоколів передачі, питання топології мережі та загальні питанняпобудови мереж.

оптичне волокно в даний час вважається найдосконалішимфізичним середовищем для передачі інформації, а також найбільш перспективноюсередовищем для передачі великих потоків інформації на значні відстані.
Підстави так вважати випливають із ряду особливостей, властивих оптичнимхвилеводів:

- широкосмугового оптичних сигналів, обумовлена надзвичайно високою частотою несучої Гц. Це означає, що за оптичної лінії зв'язку можна передавати інформацію зі швидкістю близько

біт/с (1Тбіт/с). 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 напрямках, так як 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 здатність оптичного каналу зв'язку. На сьогоднішній день межа за щільністю інформації, що передається по оптичного волокна не досягнуть;

- дуже мала (у порівнянні з іншими середовищами) загасання світлового сигналу в оптичному волокні. Кращі зразки російського волокна мають загасання 0,22 дБ/км на довжині хвилі 1,55 мкм, що дозволяє будувати лінії зв'язку довжиною до 100 км без регенерації сигналів. Для порівняння, краще волокно Sumitomo на довжині хвилі 1,55 мкм має загасання 0,154 дБ/км. В оптичних лабораторіях США розробляються ще більш «прозорі», так звані фторцірконатние оптичні волокна з теоретичним межею порядку 0,02 дБ/км на довжині хвилі

2,5 мкм. Лабораторні дослідження показали, що на основі таких волокон можуть бути створені лінії зв'язку з регенераційних ділянками через 4600 км при швидкості передачі порядку 1 Гбіт/с;

- ОВ виготовлено з кварцу, основу якого становить двоокис кремнію, широко розповсюдженого , а тому недорогого матеріалу, на відміну від міді;

- оптичні волокна мають діаметр близько 100 мкм, то є дуже компактні і легкі, що робить їх перспективними для використання в авіації, приладобудуванні, в кабельній техніці;

- тому що оптичні волокна є діелектриками, отже, при будівництві систем зв'язку автоматично досягається гальванічна розв'язка сегментів. У оптичній системі вони електрично повністю ізольовані один від одного, і багато проблем, що пов'язані із заземленням та зняттям потенціалів, які досі виникали при з'єднанні електричних кабелів, втрачають свою актуальність. Застосовуючи особливо міцний пластик, на кабельних заводах виготовляють самонесучі підвісні кабелі, що не містять металу і тим самим безпечні в електричному відношенні. Такі кабелі можна монтувати на щоглах існуючих ліній електропередач, як окремо, так і вбудовані в фазовий провід, економлячи значні кошти на прокладання кабелю через річки та інші перешкоди;

- системи зв'язку на основі оптичних волокон стійкі до електромагнітних перешкод , а що передається по світловода інформація захищена від несанкціонованого доступу. Волоконно-оптичні лінії зв'язку не можна підслухати неруйнуючим способом. Будь-які дії на

ОВ можуть бути зареєстровані методом моніторингу (безперервного контролю) цілісності лінії;

- важлива властивість оптичного волокна - довговічність. Час життя волокна, тобто збереження ним своїх властивостей в певних межах, перевищує 25 років, що дозволяє прокласти волоконно-оптичний кабель один раз і, в міру необхідності, нарощувати пропускну здатність каналу шляхом заміни приймачів і передавачів на більш швидкодіючі.

Але існують також деякі недоліки волоконно-оптичнихтехнологій:

- при створенні лінії зв'язку потрібні високонадійні активні елементи, які перетворюють електричні сигнали в світ, і світло в електричні сигнали. Для з'єднання ОВ з приймально-передавальним обладнанням використовуються оптичні конектори (з'єднувачі), які повинні володіти малими оптичними втратами і великим ресурсом на підключення-відключення. Похибки при виготовленні таких елементів лінії зв'язку повинні бути порядку частки мікрона, тобто відповідати довжині хвилі випромінювання. Тому виробництво цих компонентів оптичних ліній зв'язку дуже дороге;

- інший недолік полягає в тому, що для монтажу оптичних волокон потрібно прецизійне, а тому дороге, технологічне обладнання.

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

Переваги від застосування волоконно-оптичних ліній зв'язку (ВОЛЗ)настільки значні, що, незважаючи на перераховані недолікиоптичного волокна, ці лінії зв'язку все ширше використовуються для передачіінформації.

2.1. Волоконно-оптичні кабелі

Одним з найважливіших компонентів ВОЛЗ є волоконно-оптичнийкабель (ВОК).

Визначальними параметрами при виробництві ВОК є умовиексплуатації і пропускна здатність лінії зв'язку.

За умовами експлуатації кабелі підрозділяють на:

- монтажні;

- станційні;

- зонові ;

- магістральні.

Перші два типи кабелів призначені для прокладки всередині будівель іспоруд. Вони компактні, легкі і, як правило, мають невеликубудівельну довжину.

Кабелі останніх двох типів призначені для прокладки в колодязяхкабельних комунікацій, у грунті, на опорах вздовж ЛЕП, під водою. Цікабелі мають захист від зовнішніх впливів і будівельну довжину більше двохкілометрів.

Для забезпечення великої пропускної здатності лінії зв'язкувиробляються ВОК, містять невелику кількість (до 8) одномодових волокон змалим загасанням, а кабелі для розподільних мереж можуть містити до
144 волокон як одномодових, так і багатомодових, залежно відвідстаней між сегментами мережі.

При виготовленні ВОК в основному використовуються два підходи:

- конструкції з вільним переміщенням елементів;

- конструкції з жорсткою зв'язком між елементами.

За видами конструкцій розрізняють кабелі повівной скручування, пучковійскручування, кабелі з профільним серцевиною, а також стрічкові кабелі.
Існують численні комбінації конструкцій ВОК, які в поєднанні звеликим асортиментом застосовуваних матеріалів дозволяють вибрати виконаннякабелю, найкращим чином задовольняє всім умовам проекту, у томучислі - вартісним.

Особливий клас утворюють кабелі, вбудовані в грозозахисного тросу
(оптичні волокна укладаються в сталеві трубки, які замінюють провідзаземлення), що використовуються для підвіски на опорах повітряних лінійелектропередачі [4]. Такі кабелі характеризуються здатністю витримувативисокі механічні та електричні навантаження, мають високумолніестойкостью і високою стійкістю до вібрації, і призначені дляз'єднання електростанцій і станцій керування, використовуючи діючівисоковольтні лінії.

2.1.1. З'єднання оптичних волокон

Розвиток волоконно-оптичних телекомунікаційних технологій восновному визначається якістю волоконно-оптичних кабелів (ВОК) набагатомодових і одномодових оптичних волокнах, виготовлених методомпокриття кварцовою жили полімерними або кварцовими матеріалами. Деякіз цих волокон в даний час по ряду характеристик наблизилися догранично можливим показниками. Так, одномодове волокно з робочою довжиноюхвилі 1,55 мкм практично досягло межі за загасання, рівного 0,154дБ/км. Це дозволило в даний час будувати регенераційні ділянкидовжиною до 200 км і більше, знижуючи тим самим витрати на будівництвоволоконно-оптичних ліній зв'язку. Однак з огляду на природних обмеженьвиробляти волокна таких довжин не представляється можливим. Томуздійснюють з'єднання оптичних волокон, називаючи ділянку міжсполуками будівельної завдовжки. Зниження коефіцієнта загасанняоптичного волокна обумовлює жорсткість вимог до якостіз'єднань. Це пояснюється тим, що кількість таких з'єднань, як правило,досить велика. Інші вимоги пред'являються до пристроїв з'єднанняволоконно-оптичних кабелів, призначених для локальних мереж, що маютьневеликі довжини ділянок. Дані пристрої повинні бути компактними,допускати багаторазове підключення і відрізнятися простотою виконанняз'єднання [5].

2.2. Оптичне волокно. Загальні положення

Найважливіший з компонентів ВОЛЗ - оптичне волокно. Для передачісигналів застосовуються два види волокна: одномодове і багатомодове. Своєназва волокна отримали від способу розповсюдження в них випромінювання.

оптичне волокно (рис. 2.1) складається з серцевини, за якоювідбувається поширення світлових хвиль, і оболонки, призначеної, зодного боку, для створення кращих умов відбиття на межі розділу
«Серцевина - оболонка», а з іншого - для зниження випромінювання енергії внавколишній простір. З метою підвищення міцності і тим самим надійностіволокна поверх оболонки, як правило, накладаються захисні зміцнюютьпокриття.

Рис 2.1. Загальний вигляд типового ОВ.

Така конструкція ОВ використовується в більшості оптичних кабелів
(ОК) як базової [5]. Серцевина виготовляється з оптично більшщільного матеріалу. Оптичні волокна відрізняються діаметром серцевини іоболонки, а також профілем показника заломлення серцевини, тобтозалежністю показника заломлення від відстані від осі ОВ (див. рис 2.3).

Усі оптичні волокна поділяються на дві основні групи: багатомодові
MMF (multi mode fiber) і одномодові SMF (single mode fiber). Убагатомодових ОВ, що мають діаметр светонесущей жили на порядок більше довжинихвилі передачі, розповсюджується безліч різних типів світлових променів --мод. Багатомодового волокна поділяються за профілем показника заломлення наступінчасті (step index multi mode fiber) і градієнтні (graded index multimode fiber).

2.3. Розповсюдження світлових променів в оптичних волокнах

Основними факторами, що впливають на характер поширення світла вволокні, поряд з довжиною хвилі випромінювання, є: геометричніпараметри волокна, загасання, дисперсія.

Рис. 2.2. Поширення випромінювання по ступінчастому і градієнтні багатомодовим і одномодовому ОВ.

Принцип розповсюдження оптичного випромінювання уздовж оптичноговолокна заснований на явищі повного внутрішнього відбиття на границі середовищ зрізними показниками заломлення. Процес поширення світлових променів уоптично більш щільною середовищі, оточеній менш щільною показано на рис.
2.2. Кут повного внутрішнього відображення, при якому падаюче на кордоноптично більш щільною і оптично менш щільною середовищ випромінювання повністювідбивається, визначається співвідношенням:

, (2.3.1)

де n1 - показник заломлення серцевини ОВ, n2 - показникзаломлення оболонки ОР, причому n1> n2. При попаданні світлового випромінюванняна торець ОВ в ньому можуть поширюватися три типи світлових променів,звані направляються, що випливають і випромінюваними променями, наявність іперевага будь-якого типу променів визначається кутом їх падіння накордон розділу «серцевина - оболонка». Ті промені, які падають на кордонрозділу під кутом (промені 1, 2 і 3), відбиваються від неї і зновуповертаються в серцевину волокна, поширюючись в ній і не зазнаючизаломлення. Так як траєкторіїі таких променів повністю розташовані всерединісередовища розповсюдження - серцевини волокна, вони поширюються на великівідстані і називаються направляються.

Промені, які падають на границю розділу під кутами (промені 4), носятьназва випливають променів (променів оболонки). Досягаючи кордону «серцевина --оболонка », ці промені відбиваються і заломлюються, втрачаючи кожного разу в оболонціволокна частина енергії, у зв'язку з чим зникають зовсім на деякій відстанівід торця волокна. Промені, які випромінюються з оболонки в навколишнійпростір (промені 5), носять назву випромінюваних променів і виникають у місцяхнерегулярно або через скручування ОВ. Випромінюють і випливають променіє паразитними і призводять до розсіювання енергії та спотворенняінформаційного сигналу.

2.4. Моди, що розповсюджуються в оптичних хвилеводах

У загальному випадку поширення електромагнітних хвиль описуєтьсясистемою рівнянь Максвелла в диференційній формі:

(2.4.1)

де - щільність електричного заряду, і --напруженості електричного і магнітного полів відповідно, --щільність струму, і - електрична і магнітна індукції.

Якщо уявити напруженість електричного і магнітного поля
 і за допомогою перетворення Фур'є [5]:

, (2.4.2)

то хвильові рівняння приймуть вигляд:

, (2.4.3)

де - оператор Лапласа.

світловод можна уявити ідеальним циліндром з поздовжньої віссю z,осі х і у в поперечної (ху) площини утворюють горизонтальну (xz) івертикальну (xz) площині. У цій системі існують 4 класу хвиль (Е і Нортогональні):

поперечні Т: Ez = Нz = 0; Е = Еy; Н = Нx;

електричні Е: Еz = 0, Нz = 0; Е = (Еy, Еz) - поширюються вплощині (yz); Н = Нx;

магнітні Н: Нz = 0, Еz = 0; Н = (Нx, Нz) - поширюються вплощині (xz), E = Ez;

змішані ЄП або НЕ: Еz = 0, Нz = 0; Е = (Еy, Еz), Н = (Нx, Нz) --поширюються в площинах (xz) і (yz).

При вирішенні системи рівнянь Максвелла зручніше використовуватициліндричні координати (z, r,?), при цьому рішення шукається у вигляді хвиль зкомпонентами Ez, Нz виду:

, (2.4.4)

де і - нормуються постійні, - шукана функція,
 - Поздовжній коефіцієнт поширення хвилі.

Рішення для виходять у вигляді наборів з m (з'являються цілііндекси m) простих функцій Бесселя для серцевини і модифікованихфункцій Ханкеля для оболонки, де і - поперечнікоефіцієнти поширення в серцевині і оболонці відповідно,
- Хвильове число. Параметр визначається як рішенняхарактеристичного рівняння, що отримується з граничних умов, що вимагаютьбезперервності тангенціальних складових компонент Ez та Нzелектромагнітного поля на межі розділу серцевини й оболонки.
Характеристичного рівняння, в свою чергу, дає набір з n рішень
(з'являються цілі індекси n) для кожного цілого m, тобто маємовласних значень, кожному з яких відповідає певний типхвилі, званий модою. В результаті формується набір мод, перебіряких заснований на використанні подвійних індексів.

Умовою існування направляється моди є експоненційнийспаданням