Оптический способ передачи информации

Оптический способ передачи информации

Волоконно-оптические линии связи — это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием «оптическое волокно».

Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам.

1.1 Физические особенности.

1. Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей (Fo=10**14 Гц). Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 10**12 бит/с или Терабит/с. Говоря другими словами, по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут.
2. Очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0.22 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1.55 мкм имеет затухание 0.154 дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более «прозрачные», так называемые фторцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2.5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.

1.2 Технические особенности.

1. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди.
2. Оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм., то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике.
3. Стеклянные волокна — не металл, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов. Применяя особо прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах существующих линий электропередач, как отдельно, так и встроенные в фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие преграды.
4. Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии. Теоретически существуют способы обойти защиту путем мониторинга, но затраты на реализацию этих способов будут столь велики, что превзойдут стоимость перехваченной информации.

Существует способ скрытой передачи информации по оптическим линиям связи. При скрытой передаче сигнал от источника излучения модулируется не по амплитуде, как в обычных системах, а по фазе. Затем сигнал смешивается с самим собой, задержанным на некоторое время, большее, чем время когерентности источника излучения.

При таком способе передачи информация не может быть перехвачена амплитудным приемником излучения, так как он зарегистрирует лишь сигнал постоянной интенсивности.

Для обнаружения перехватываемого сигнала понадобится перестраиваемый интерферометр Майкельсона специальной конструкции. Причем, видность интерференционной картины может быть ослаблена как 1:2N, где N — количество сигналов, одновременно передаваемых по оптической системе связи. Можно распределить передаваемую информацию по множеству сигналов или передавать несколько шумовых сигналов, ухудшая этим условия перехвата информации. Потребуется значительный отбор мощности из волокна, чтобы несанкционированно принять оптический сигнал, а это вмешательство легко зарегистрировать системами мониторинга.

Важное свойство оптического волокна — долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить оптико-волоконный кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие.

Есть в волоконной технологии и свои недостатки:

1. При создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы. Необходимы также оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связи должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.
2. Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование.
3. Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.

Преимущества от применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) настолько значительны, что несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации.

2. Оптическое волокно

Промышленность многих стран освоила выпуск широкой номенклатуры изделий и компонентов ВОЛС. Следует заметить, что производство компонентов ВОЛС, в первую очередь оптического волокна, отличает высокая степень концентрации. Большинство предприятий сосредоточено в США. Обладая главными патентами, американские фирмы (в первую очередь это относится к фирме «CORNING») оказывают влияние на производство и рынок компонентов ВОЛС во всем мире, благодаря заключению лицензионных соглашений с другими фирмами и созданию совместных предприятий.

Важнейший из компонентов ВОЛС — оптическое волокно. Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Свое название волокна получили от способа распространения излучения в них. Волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n1 и n2.

В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10 мкм, то есть сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода).

В многомодовом волокне размер световодной жилы порядка 50-60 мкм, что делает возможным распространение большого числа лучей (много мод).

Оба типа волокна характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией.

Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне.

Потери на поглощение зависят от чистоты материала, потери на рассеяние зависят от неоднородностей показателя преломления материала.

Затухание зависит от длины волны излучения, вводимого в волокно. В настоящее время передачу сигналов по волокну осуществляют в трех диапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность.

Другой важнейший параметр оптического волокна — дисперсия. Дисперсия — это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала. Существуют три типа дисперсии: модовая, материальная и волноводная.

модовая дисперсия присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно

материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны

волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.

Поскольку светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространению по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке пользуются термином «полоса пропускания» — это величина, обратная к величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в МГц*км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.

Если при распространении света по многомодовому волокну как правило преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну присущи только два последних типа дисперсии. На длине волны 1.3 мкм материальная и волноводная дисперсии в одномодовом волокне компенсируют друг друга, что обеспечивает наивысшую пропускную способность.

Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны. Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой же причине одномодовые волокна сложно сращивать с малыми потерями. Оконцевание одномодовых кабелей оптическими разъемами также обходится дороже.

Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как в них размер световодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовых волокнах. Многомодовый кабель проще оконцевать оптическими разъемами с малыми потерями (до 0.3 dB) в стыке. На многомодовое волокно расчитаны излучатели на длину волны 0.85 мкм — самые доступные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон находится в пределах 3-4 dB/км и не может быть существенно улучшено. Полоса пропускания у многомодовых волокон достигает 800 МГц*км, что приемлемо для локальных сетей связи, но не достаточно для магистральных линий.

Источник

Краткая история оптической связи — от Древней Греции к спутникам Маска

Мы живем в информационную эру, где интернет — базовое право человека. Достигнуть текущего уровня развития было непросто, но мы смогли, и сейчас технологии позволяют нам жить в том будущем, которое еще недавно раскрывалось лишь на страницах книг. Понятно, что технологии возникли не вдруг, некоторые из них уходят корнями в далекое прошлое.

Одна из этих технологий — оптическая связь. Ее использовали еще в античности. Ну а сейчас у нас есть подводные магистрали, спутниковые лазерные системы и многое другое. Давайте посмотрим, как оптическая связь менялась с течением времени.

Семафоры и гелиографы

Графический телеграф — реконструкция из музея в г. Салоники, Греция

Греки построили систему, известную как Фриктория. Это башни на вершинах гор. Стража на башнях по цепочке зажигала огни, которые были хорошо видимы на расстоянии до 50 км. Соответственно, отправленное сообщение уходило в нужную точку очень быстро. В некоторых источниках даже говорится о том, что именно так по Греции распространилось сообщение о взятии Трои.

Именно греки придумали специальный код для световых сигналов. У башен было две группы по 5 факелов. Каждый из них представляет собой элемент квадрата Полибия. Соответственно, изменение местоположения элементов в этой матрице позволяло кодировать и передавать самые разные сообщения. Еще один вариант — гидравлический телеграф, который использовался по время Первой Пунической войны для отправки сообщений между Сицилией и Карфагеном.

Вот что говорит Википедия по поводу этого телеграфа: «На стержнях были нанесены различные заранее заданные коды в разных точках по высоте. Чтобы отправить сообщение, отправляющий оператор будет использовать фонарик, чтобы подать сигнал принимающему оператору; как только они будут синхронизированы, они одновременно откроют патрубки на дне своих контейнеров. Вода будет стекать до тех пор, пока уровень воды не достигнет желаемого значения, после чего отправитель опускает факел, а операторы одновременно закрывают свои краны. Таким образом, продолжительность видимости факела отправителя может быть соотнесена с конкретными заранее заданными кодами и сообщениями».

Применялись семафоры и гораздо позже. В 18 веке была создана иная разновидность оптического телеграфа, сеть которых позже была распространена по всей Франции. Это была коммуникационная сеть военных.

Отдельный элемент системы — башня с подвижными шестами. Был разработан «алфавит», где каждой букве соответствало определенное положение шестов. Первая линия оптического телеграфа была сооружена между Парижем и Лиллем. Положение шестов меняли при помощи 196 разных положений — так что изображать можно было не только буквы, но и отдельные слова. Каждая станция обслуживалась двумя работниками. Один следил за соседней башней и ее шестами, второй — копировал положение шестов соседа, и так — по цепочке. Проблемой такой системы было то, что работала она лишь в светлое время суток и только при относительно хороших погодных условиях. Облачность, дождь, темнота — все это останавливало работу семафоров.

Но в светлое время суток и при хорошей погоде система работала просто отлично. Cкорость передачи данных составляет около 2-3 символов в минуту между соседними станциями. От Парижа до Лилля один символ доходил примерно за две минуты, а это 230 км. Для того времени — просто мечта.

Системы, основанные на тех либо иных сигнала широко использовались в XIX и XX веках, особенно в военное время. После изобретения азбуки Морзе все упростилось во много раз.

Изобретение Белла

Сейчас существует много DIY-проектов, где аудиосигнал передается при помощи лазера. Построить такую систему не так и сложно. Но все эти проекты базируются на идее Александра Белла, который еще в 1880 году создал «фотофон». Основной носитель информации в нем — свет, не лазер, конечно, но солнечный свет. При этом именно фотофон Белл считал самым важным своим изобретением, а не телефон.

Действие этого прибора основано на свойстве селена менять электропроводимость под воздействием солнечных лучей. Они отражаются от зеркала, которое, в свою очередь, вибрирует под влиянием звука. Получатель сигнала здесь — как раз кристаллические селеновые ячейки. Зеркало модулировало луч света, фокусируя или рассеивая свет от источника. Белл с партнером создали тестовую установку, которая помогла передать сигнал на расстояние около 213 метров.

Но, конечно, у этого устройства было огромное количество недостатков, включая возможность работы лишь при ясной погоде и на относительно небольшом расстоянии. Но как бы там ни было, изобретение Белла считается предшественником современных волоконно-оптических линий.

Ну а потом — стекловолокно

Если исключить парочку военных проектов, то телекоммуникации в XX веке реализовывались посредством коаксиальных кабелей и излучения с частотой 1-10 ГГц. Так все было до момента появления оптоволокна в 70-х годах прошлого века. Очень быстро именно оно стало основным каналом связи с огромной пропускной способностью.

Оптоволокно стало ответом на проблемы коаксиальной связи. Главный ее недостаток заключается в том, что сигнал нужно усиливать примерно через каждый километр, чтобы компенсировать потери при передаче. При беспроводной радиочастотной (РЧ) связи интервал ретранслятора может быть намного больше, но в обоих случаях полоса пропускания ограничена

100 Мбит / с из-за «низкой» частоты несущей РЧ.

Оптоволокно решало все эти проблемы. И спустя пару лет оптоволокно стало тем, чем оно является и сейчас. Так, еще в 1977 году компания General Telephone and Electronics (сейчас корпорация GTE) отправила первый в мире прямой телефонный трафик через оптоволоконную систему со скоростью 6 Мбит / с. Сегодня всемирная волоконно-оптическая сеть насчитывает более 400 миллионов километров, что почти в три раза превышает расстояние до Солнца.

Оптоволоконную связь улучшили благодаря методам мультиплексирования, включая мультиплексирование по длине волны, временным разделением или пространственным мультиплексированием с разделением. В лаборатории комбинация этих методов показала отличный результат — данные удалось передать со скоростью в 11 Пбит/с, с потерями всего в 5% на каждый километр. Ретрансляторы устанавливаются каждые 80 км, что, конечно, гораздо лучше, чем в случае коаксиального кабеля.

Интернет из лампочки

Кроме оптоволокна, есть и другие способы скоростной передачи данных, причем безо всяких кабелей. Это беспроводная оптическая связь, как она есть. LiFi — двунаправленная высокоскоростная беспроводная коммуникационная технология.

Правда, для этого способа нужна светодиодная лампочка, а не лампа накаливания. Понятно, что работает технология только в зоне прямой видимости, причем чем дальше о точки передачи данных, тем хуже связь.

Одна из первых иллюстраций, разъяснявших принцип работы системы. Здесь, как видим, наладонники вместо смартфонов

Для LiFi разработан собственный протокол, IEEE 802.15.7, который определяет три физических (PHY) уровня с разными пропускными способностями:

• PHY I был создан для наружного применения и работает на скоростях от 11.67 Кбит/с до 267.6 Кбит/сек.
• PHY II позволяет достигать скоростей передачи данных от 1.25 Мбит/с до 96 Мбит/сек.
• PHY III предназначен для множественных источников с определённым методом модуляции: Color Shift Keyring (CSK), что можно перевести как «Манипуляция смещением длины волны». PHY III может достигать скорости от 12 Мбит/с до 96 Мбит/сек.

Технология не получила особого распространения, но кое-где применяется. В основном, речь идет о промышленных системах, в местах с сильными электромагнитными помехами, где почти любая радиосвязь невозможна или затруднена.

А что насчет больших расстояний и беспроводной оптической связи?

К сожалению, здесь похвастаться особо нечем. Многие компании начинали тестовые испытания технологии передачи данных при помощи лазеров или иных оптических систем. Но, как правило, эти испытания не выходили за пределы лаборатории или тестовой площадки.

Например, в прошлом году разработчики из Alphabet построили в Кении экспериментальную беспроводную сеть, которая работает на основе света. Это не оптоволокно, основа системы — луч света, который фокусируют на удаленной точке приема — приемной станции.

Проект получил название Project Taara. В ходе его реализации удалось добиться передачи данных на расстояние примерно в 20 км без развертывания проводной инфраструктуры. Тесты показали неплохой результат. Но несмотря на это, проект потом решили закрыть.

То же самое можно сказать относительно второго проекта этой же компании, Loon. Несколько лет этот проект развивали, но буквально несколько недель назад приняли решение закрыть.

Есть менее масштабные проекты, которые были реализованы. Например, компания Koruza предлагает лазерную связь на скорости около 10 Гбит/с, но расстояние при этом не превышает 150 м. В некоторых случаях интернет-провайдеры используют лазерные трансмиттеры для обеспечения связью удаленных от основной магистрали объектов. Иногда подобные системы создают и пользователи — но такие системы не слишком распространены.

Кроме того, в начале года Илон Маск рассказал о том, что спутники Starlink оснастили лазерной связью для покрытия полярных регионов. И уже через год все спутники Starlink, которые отправляются на орбиту, будут оснащаться лазерной связью.

Благодаря дополнительному виду связи широкополосный доступ в интернет получат и жители Аляски, о чем компания рассказывала в заявке для FCC.

Лазеры дают возможность спутникам держать связь не только с наземными станциями, но и друг с другом, причем неважно, где находится «коллега» — в той же орбитальной плоскости, или в соседней. Соответственно, оператор сможет минимизировать количество наземных станций, расширяя зону покрытия удаленных регионов, где наземных станций вообще нет. Кроме того, снижается и latency, поскольку уменьшается количество посредников между спутниками и наземными станциями.

Источник