как работают вещи

 ак работают вещи: статьи и обзоры

√лавна€ | ‘орум |  ак работают вещи | «наки | Ёнциклопеди€ |  аталог сайтов |  арта | —татистика | ѕодписка





































”х ты!
оказываетс€, в 17 веке занимались революционной де€тельностью ... подробнее







Rambler's Top100




 ак работают вещи: статьи“ехнологии“ехнологии св€зи

 ак работает оптоволокно





ј.√.Ѕелл в 1880 году запатентовал фотофон - прибор дл€ передачи голоса посредством светового сигнала с селеновым фотодетектором. ѕервые коммерческие телефонные системы были созданы лишь в 1977 году и работали со скоростью 44,7 ћбит/с. ќдномодовые волоконные кабели начали производитьс€ в 1983 году.

¬ 1990 году Ћинн ћоллинер (Bellcore) продемонстрировал передачу данных со скоростью 2,5√бит/c на рассто€ние 7500 км (без промежуточных усилителей сигнала) ¬ 1990 году в —Ўј суммарна€ прот€женность оптических волокон составл€ла около 9000000 км.

¬ 2000 году обша€ длина оптоволокон только в —Ўј превысила 30 миллионов километров. ќптоволоконные линии св€зи работают в частотном диапазоне 1013 - 1016√ц, что на 6 пор€дков больше, чем в случае радиочастотных каналов (это обеспечивает пропускную способность 50000 √бит/c). Ќо земна€ атмосфера €вл€етс€ плохой средой дл€ распространени€ света. ѕо этой причине только разработка кремниевых волокон с низким коэффициентом поглощени€ в инфракрасном диапазоне (< 0,2 дЅ/км) сделало возможным широкое распространение оптических каналов св€зи. ”кладываетс€ ~1000км оптоволоконного кабел€ в день. ¬ насто€щее врем€ каналы обычно имеют пропускную способность ~1√бит/c и это св€зано с ограниченным быстродействием оборудовани€, преобразующего оптический сигнал в электрический и обратно. ¬ ближайшие годы следует ожидать увеличени€ быстродействи€ таких устройств в 100-1000 раз. ”читыва€, что

Df = (cDl)/l2, где с - скорость света, f - частота, а l - длина волны.

ƒл€ наиболее попул€рного диапазона l = 1,3m и Dl = 0,17m мы имеем Df = ~30“√ц.

¬ 2002 году компанией Zonu разработан фототрансивер (GBIC) на 1,25√бит/c дл€ передачи и приема данных по одному и тому же волокну при длине волны 1310 нм. ƒл€ одномодового волокна рассто€ние передачи может составл€ть до 10 км. ѕри длине волны 1550 нм достижимо рассто€ние передачи в 40 км. –азрабатываетс€ вариант дл€ скоростей передачи 2,5√бит/c

ќптоволоконное соединение гарантирует минимум шумов и высокую безопасность (практически почти невозможно сделать отвод). ѕластиковые волокна применимы при длинах соединений не более 100 метров и при ограниченном быстродействии (менее 50 ћ√ц). ¬ последнее врем€ (2006-7г) разработаны пластиковые волокна, пригодные дл€ передачи со скоростью 40 √бит/c при длине кабел€ 30м и со скоростью 5,35 √бит/c при длине кабел€ 220м (Lightware N4 2007). ¬еро€тность ошибки при передаче по оптическому волокну составл€ет < 10-10, что во многих случа€х делает ненужным контроль целостности сообщений.

ѕри построении сетей используютс€ многожильные кабели (существуют и другие разновидности кабел€: например, двух- или четырехжильные, а также плоские). ¬ верхней части рисунка [a] изображено отдельное оптоволокно, а в нижней [Ѕ] сечение восьмижильного оптического кабел€. —вет (длина волны l ~ 1350 или 1500 нм) вводитс€ в оптоволокно (диаметром d < 100m) с помощью светоизлучающего диода или полупроводникового лазера. ÷ентральное волокно покрываетс€ слоем (клэдинг, 1ј), коэффициент преломлени€ которого меньше чем у центрального €дра (стрелками условно показан ход лучей света в волокне). ƒл€ обеспечени€ механической прочности извне волокно покрываетс€ полимерным слоем (2ј).  абель может содержать много волокон, например 8 (1Ѕ). ¬ центре кабел€ помещаетс€ стальной трос (3Ѕ), который используетс€ при прокладке кабел€. — внешней стороны кабель защищаетс€ (от крыс!) стальной оплеткой (2Ѕ) и герметизируетс€ эластичным полимерным покрытием.


—ечение оптоволоконного кабел€

—уществует несколько типов оптических волокон, обладающих различными свойствами. ќни отличаютс€ друг от друга зависимостью коэффициента преломлени€ от радиуса центрального волокна. Ќа рис. 3.2.2 показаны три разновидности волокна (ј, Ѕ и ¬). Ѕуквами ј и Ѕ помечен мультимодовый вид волокон. “ип Ѕ имеет меньшую дисперсию времени распространени€ и по этой причине вносит меньшие искажени€ формы сигнала. ”становлено, что, придава€ световым импульсам определенную форму (обратный гиперболический косинус), дисперсионные эффекты можно полностью исключить. ѕри этом по€вл€етс€ возможность передавать импульсы на рассто€ние в тыс€чи километров без искажени€ их формы. “акие импульсы называютс€ солитонами. ѕри современных же технологи€х необходимо использовать повторители через каждые 30 км (против 5 км дл€ медных проводов). ѕо сравнению с медными проводами оптоволоконные кабели несравненно легче. “ак одна тыс€ча скрученных пар при длине 1 км весит 8 тонн, а два волокна той же длины, обладающие большей пропускной способностью, имеют вес 100кг. Ёто обсто€тельство открывает возможность укладки оптических кабелей вдоль высоковольтных линий св€зи, подвешива€ или обвива€ их вокруг проводников.

–азновидности оптических волокон, отличающиес€ зависимостью коэффициента преломлени€ от радиуса

Ѕуквой ¬ помечен одномодовый вид волокна (пон€тие мода св€зано с характером распространени€ электромагнитных волн). ћода представл€ет собой одно из возможных решений уравнени€ ћаксвелла. ¬ упрощенном виде можно считать, что мода - это одна из возможных траекторий, по которой может распростран€тьс€ свет в волокне.

„ем больше мод, тем больше дисперсионное искажение формы сигнала. ќдномодовое волокно позвол€ет получить полосу пропускани€ в диапазоне 50-100 √√ц-км. “иповое значение модовой дисперсии лежит в пределах от 15 до 30 нсек/км.

Ёта разновидность волокна воспринимает меньшую долю света на входе, за то обеспечивает минимальное искажение сигнала и минимальные потери амплитуды. —ледует также иметь в виду, что оборудование дл€ работы с одномодовым волокном значительно дороже. ÷ентральна€ часть одномодового волокна имеет диаметр 3-10 m, а диаметр клэдинга составл€ет 30-125 m. „исло мод, допускаемых волокном, в известной мере определ€ет его информационную емкость. ћодова€ дисперси€ приводит к расплыванию импульсов и их наезжанию друг на друга. Ќа пол€ризационную модовую дисперсию вли€ют нарушени€ круговой симметрии, механическое напр€жени€, сдавливание, изгиб и скручивание волокна. ¬се эти факторы оказываютс€ существенными при переходе на скорости передачи пор€дка 10 √бит/c или выше. ƒисперси€ зависит от диаметра центральной части волокна и длины волны света. „исло мод n равно дл€ волокна типа ј:




где d - диаметр центральной части (€дра), a - численна€ апертура волокна, а l - длина волны. ¬олокно с диаметром центральной части волокна 50 m поддерживает 1000 мод. ƒл€ волокна типа Ѕ (рис. 3.2.2) значение n в два раза меньше. „исленна€ апертура ј равна , где n1 (~1,48) и n2 (~1,46), соответственно, коэффициенты преломлени€ €дра и клэдинга. ¬еличина ј определ€ет ширину входного конуса волокна q (телесный угол захвата входного излучени€) q= arcsinA (~3,370).

ќчевидно, что чем больше длина волны, тем меньше число мод и меньше искажени€ сигнала. Ёто, в частности, €вл€етс€ причиной работы в длинноволновом инфракрасном диапазоне. Ќо даже дл€ одной и той же моды различные длины волн распростран€ютс€ по волокну с разной скоростью. ¬олокно со сглаженным профилем показател€ преломлени€ имеет дисперсию 1 нсек/км и меньше. Ёто, в частности, св€зано с тем, что свет в перефирийных област€х волокна с большей длиной траектории движетс€ быстрее (там ведь меньше коэффициент преломлени€). ќдномодовый режим реализуетс€ тогда, когда длина волны вета становитс€ сравнимой с диаметром €дра волокна. ƒлина волны, при которой волокно становитс€ одномодовым, называетс€ пороговой. ¬олокно с диаметром 50 микрон может поддерживать до 1000 мод.

¬ отличие от многомодового волокна, в одномодовом - излучение присутствует не только внутри €дра. ѕо этой причине повышаютс€ требовани€ к оптическим свойствам клэдинга. ƒл€ многомодового волокна требовани€ к прозрачности клэдинга весьма умеренны.

«атуханием обычно называетс€ ослабление сигнала по мере его движени€ по волокну. ќно измер€етс€ в децибелах на километр и варьируетс€ от 300 дЅ/км дл€ пластиковых волокон до 0,21 дЅ/км - дл€ одномодовых волокон. ѕолоса пропускани€ волокна определ€етс€ дисперсией. ѕриближенно полосу пропускани€ одномодового волокна можно оценить согласно формуле.

BW = 0,187/(Disp*SW*L),
где Disp - дисперси€ на рабочей длине волны в сек на нм и на км;
SW - ширина спектра источника в нм;M
L - длина волокна в км;

≈сли диаметр источника света не соответствует диаметру €дра волокна, то потери света, св€занные с геометрическим рассогласованием могут быть охарактеризованы следующей формулой.

ѕотеридиам = 10log10(ƒиаметрволокна/ƒиаметристочника)2

ѕотерь нет, когда волокно имеет диаметр больше диаметра источника света. ≈сли числова€ апертура источника больше апертуры волокна, то потери света состав€т:

ѕотеридиам = 10log10(Aволокна/Aисточника)2

ѕомимо дисперсии быстродействие оптического канала ограничиваетс€ шумами. Ўумы имеют две составл€ющие: дробовой и тепловой шум. ƒробовой шум определ€етс€ соотношением:

isn2= 2eiB, где е - зар€д электрона, i - средний ток, протекающий через приемник, и ¬ - ширина полосы пропускани€ приемника. “иповое значение дробового шума составл€ет 25 нј при температуре 25 градусов ÷ельси€. “епловой шум характеризуетс€ соотношением:

isn2=(4kTB)/RL, где k - посто€нна€ Ѕольцмана, “ - температура по шкале  ельвина, ¬ - ширина полосы пропускани€ приемника, RL - сопротивление нагрузки. ѕри полосе в 10 ћ√ц и температуре 298 0  эта составл€юща€ шума равна 18 нј. ќдной из составл€ющих теплового шума €вл€етс€ темновой ток, который возрастает на 10% при росте температуры на 1 градус.

„увствительность приемника задаетс€ квантовой эффективностью, котора€ характеризует отношение числа первичных электронно-дырочных пар к числу падающих на детектор фотонов. Ётот параметр часто выражаетс€ в процентах (реже в амперах на люмен). “ак, если на каждые 100 фотонов приходитс€ 60 пар электрон-дырка, то квантова€ эффективность равна 60%. „увствительность фотодетектора R может быть вычислена на основе квантовой чувствительности. R= (nel)/hc, где е - зар€д электрона, h - посто€нна€ ѕланка, с - скорость света, l - длина волны, а n - квантова€ чувствительность.

»сточники излучени€ инжектируемого в волокно имеют конечную полосу частот. “ак светоизлучающие диоды излучают свет с шириной полосы 35 нм, а лазеры 2-3 нм (лазеры имеют, кроме того, более узкую диаграмму направленности, чем диоды).

¬рем€ нарастани€ фотодиода ограничивает быстродействие системы. Ќе малую роль играет и уровень шумов на входе приемника. ѕри этом световой импульс должен нести достаточно энергии (заметно больше уровн€ шума), чтобы обеспечить низкий уровень ошибок.

ѕоглощение света в волокне происходит по нескольким причинам. ѕоглощение в собственно стекле волокна падает с частотой, в то врем€ как потери из-за рассе€ни€ на дефектах стекла (релеевское рассе€ние) с увеличением частоты растет. ѕри сгибании волокна поглощение увеличиваетс€. ѕо этой причине следует избегать малых радиусов изгиба (кроме всего прочего это может привести и к обрыву). ¬ результате потери света в волокне обычно лежит в диапазоне (2-5) дЅ/км дл€ длин волн 0,8 - 1,8 m. «ависимость поглощени€ света в волокне от длины волны показана на рис. »спользуемые диапазоны отмечены на рисунке зеленым цветом. ¬се эти диапазоны имеют ширину 25000-30000 √√ц.

ѕри прокладке трасс следует также про€вл€ть расчетливость и осторожность. “ак в »“Ё‘ несколько лет назад между двум€ здани€ми был проложен 8-волоконный кабель. Ќа одном из участков не было готовых кабельных каналов, и мы проложили его по воздуху, подвесив к тросу из нержавеющей стали.  абель был нами разделан, померено затухание сигнала (доли децибела) и около полутора лет он работал без замечаний. ѕотом мы обнаружили потерю сигнала в одном из волокон и были вынуждены перевести сигнал на одно из резервных. „ерез некоторое врем€ отказало и оно. —начала мы предположили плохую заделку кабел€, потом грешили на не слишком хорошую прокладку кабел€ на первом этаже одного из зданий (радиус изгиба был около полуметра). ¬ конце концов, нам пришлось пригласить знакомых специалистов из управлени€ перспективных технологий с рефлектометром, которые указали, что имеет место обрыв в 66 метрах от точки разделки кабел€. „то же оказалось?

ќбнаружить причину было непросто, даже име€ достаточно точное указание. ќбрыв был на высоте около 4 м и с земли не виден. ¬ одном месте в 30-40 см от троса находилс€ ствол топол€, который при ветре по нему удар€л. “рос перемещалс€ в горизонтальной плоскости. — одной из сторон, где кабель уходил с троса вниз, он огибал болт. ѕри монтаже эта часть кабел€ была помещена в стальной рукав, но в процессе раскачивани€ троса рукав сполз вниз. –езьба болта работала как пила, сначала была повреждена изол€ци€, затем стальна€ оплетка и, наконец, были оборваны волокна одно за другим (4 из 8). ƒальнейшее разрушение приостановил центральный встроенный в оптический кабель стальной трос. Ќа эту разрушительную УработуФ ушло более года, ведь сильный ветер дует не каждый день, да и перепилить стальную проволоку защитной оплетки не проста€ задача. ѕришлось пригласить специалистов, которые устранили обрыв, сварив волокна заново. Ќадеюсь, что наш негативный опыт окажетс€ полезным дл€ других.


«ависимость поглощени€ света в волокне от длины волны

¬ насто€щее врем€ стандартизовано 6 диапахонов длин волн.
Ќазвание диапазона ’арактеристика »нтервал длин волн
O»сходный1260-1360 нм
–асширенный1260-1460 нм
S оротковолновый1460-1530 нм
—тандартный1460-1530 нм
Lƒлинноволновый1565-1625 нм
U”льтрадлинноволновый1625-1675 нм

»з рисунка видно, что минимумы поглощени€ приход€тс€ на 1300 и ~1500 нм, что и используетс€ дл€ целей телекоммуникаций. ѕри длине волны 1300 нм дисперси€ скоростей распространени€ различных длин волн минимальна. ƒиапазон ~850 нм характеризуетс€ высоким поглащением, но он привлекателен тем, что как лазеры, так и электроника могут быть изготовлены из одного материала (арсенида галли€). »спользуемые оптические диапазоны выделены зеленым цветом.


«ависимость дисперсии от длины волны

»з рисунка видно, что в области ниже 1300 нм более длинные волны движутс€ быстрее коротких. ƒл€ длин волн >1300нм имеет место обратна€ ситуаци€ - более длинные волны движутс€ медленнее коротких. ƒл€ одномодовых волокон определ€ющий вклад в искажени€ вноситс€ дисперсией скоростей распространени€, дл€ многомодовых основной вклад вносит модова€ дисперси€.


«ависимость полосы пропускани€ волокна от его длины

ќдним из критических мест волоконных систем €вл€ютс€ сростки волокон и разъемы. ”читыва€ диаметр центральной части волокна, нетрудно предположить, к каким последстви€м приведет смещение осей стыкуемых волокон даже на несколько микрон (особенно в одномодовом варианте, где диаметр центрального €дра менее 10 микрон) или деформаци€ формы сечени€ волокон.

—оединители дл€ оптических волокон имеют обычно конструкцию, показанную на рис., и изготовл€ютс€ из керамики. ѕотер€ света в соединителе составл€ет 10-20%. ƒл€ сравнени€ сварка волокон приводит к потер€м не более 1-2%. —уществует также техника механического сращивани€ волокон, котора€ характеризуетс€ потер€ми около 10% (splice). ќптические аттенюаторы дл€ оптимального согласовани€ динамического диапазона оптического сигнала и интервала чувствительности входного устройства представл€ют собой тонкие металлические шайбы, которые увеличивают зазор между волокном кабел€ и приемником.


—хема оптического разъема

≈сли длина волокна должна быть велика из-за рассто€ни€, которое нужно перекрыть, а потребителей по дороге нет, приходитс€ ставить промежуточные усилители сигнала (присутствие Ё¬ћ необ€зательно).


ѕромежуточный волоконный усилитель

— использованием оптических волокон можно создавать не только кольцевые структуры. ¬озможно построение фрагмента сети, по характеру св€зей эквивалентного кабельному сегменту или хабу. —хема такого фрагмента сети представлена на рис. (пассивный хаб-концентратор). Ѕазовым элементом этой субсети €вл€етс€ прозрачный цилиндр, на один из торцов которого подключаютс€ выходные волокна всех передатчиков интерфейсов устройств, составл€ющих субсеть. —игнал с другого торца через волокна поступает на вход фото приемников интерфейсов. “аким образом, сигнал, переданный одним из интерфейсов, поступает на вход всех остальных интерфейсов, подключенных к этой субсети. ѕри этом потери света составл€ют 2— + S + 10*log(N), где — - потери в разъеме, S - потери в пассивном разветвителе, а N - число оптических каналов (N может достигать 64). —овременные микросхемы приемо-передатчиков (корпус DIP) имеют встроенные разъемы дл€ оптического кабел€ (62,5/125мкм или 10/125 мкм). Ќекоторые из них (например, ODL 200 AT&T) способны осуществл€ть переключение на обходной оптический путь (bypass) при отключении питани€.


—хема пассивного оптоволоконного хаба

¬ последнее врем€ заметного удешевлени€ оптических каналов удалось достичь за счет мультиплексировани€ с делением по длине волны. «а счет этой техники удалось в 16-160 раз увеличить широколосность канала из расчета на одно волокно. —хема мультиплесировани€ показана на рис. Ќа входе канала сигналы с помощью призмы объедин€ютс€ в одно общее волокно. Ќа выходе с помощью аналогичной призмы эти сигналы раздел€ютс€. „исло волокон на входе и выходе может достигать 32 и более (вместо призм в последнее врем€ используютс€ миниатюрные зеркала, где примен€етс€ 2D-развертка (или 3D)по длине волны). –азработка технологии получени€ особо чистого материала волокон позволила раширить полосу пропускани€ одномодового волокна до 100 нм (дл€ волокон с l =1550нм). ѕолоса одного канала может лежать в диапазоне от 2 до 0,2 нм. Ёта технологи€ в самое ближайшее врем€ расширит скорость передачи данных по одному волокну с 1 до 10 “бит/с.


ћультиплексирование с делением по длине волны в оптическом волокне


—хема многоканального мультиплексировани€ с делением по длине волны в оптическом волокне. TE - терминальное оборудование; L - лазер; M/D - оптический мультиплексор-демультиплексор


—хема перенаправлени€ оптических информационных потоков (RINGrid-WP3-D3_1-JKU. State of the art in Networks and Grid Infrastructures. Contract no. 031891)

ƒл€ осуществлени€ требуемой маршрутизации часто бывает нужно в коммутационном узле сменить длину волны потока. —хема этой операции показана на рис. 3.2.11 (a) OADM - (optical adddrop multiplexer), (b) OXC - (optical cross-connect) - оптическа€ коммутаци€ , (c) OXC со сменой длины волны.


—хема перенаправлени€ оптических информационных потоков со сменой длины волны и без (RINGrid-WP3-D3_1-JKU. State of the art in Networks and Grid Infrastructures. Contract no. 031891)


»сточник: http://book.itep.ru/3/optic_32.htm


—еменов ё.ј., √Ќ÷ »“Ё‘





—мотри также:
 ак устроен и работает модем
 ак работает сеть GSM
 ак работает лазер
 ак работает глаз
 ак работают каналы RSS
јзбука ћорзе
 ак образуютс€ миражи
 ак работает технологи€ WiMax
 ак работает WiMax модем
 ак работают оптические солнечные иллюзии: Ђантисумеречные лучиї, Ђсолнечный столбї и Ђэффект “индал€ї


Loading...


Ќовые статьи на сайтах портала:
 ак организм сжигает жир?
     ак работают вещи: статьи„еловекќрганизм человека /
 ак создали свет€щиес€ растени€?
     ак работают вещи: статьи“ехнологииЌовые технологии /
 ак светитс€ светл€чок?
     ак работают вещи: статьићир вокруг∆ивотный мир /
 ак работает большой адронный коллайдер
     ак работают вещи: статьи“ехнологии»сследование мира /
 ак нестандартно использовать вилку?
     ак работают вещи: статьи“вой дом—воими руками /
 ак вилка покорила мир?
    ѕроисхождение знаковѕроисхождение традиций«астольные /
 ак работает дополненна€ реальность?
     ак работают вещи: статьи“ехнологииЌовые технологии /


Ќовые комментарии:

  √остева€ книга:
luisms16 : Big Ass Photos - Free Huge But...
Georgenub : &#1044;&#1077;&#10...
clydegr11 : Browse over 500 000 of the bes...
johnniefs3 : Teen Girsl Pussy Pics. Hot gal...
careyvw18 : Sexy teen photo galleries htt...
mattiebb2 : New sexy website is available ...
Legenda7 : –Т–Р–°–Ш–Ы–Ш–°–Ђ–Э–Ю –°–І–Р–°...
julianua69 : Scandal porn galleries, daily ...
Flintdooring : For cells growing in denial di...





© 2008-2011 ¬сЄ, права защищены.
»нтернет-журнал "как работают вещи"
¬опросы и предложени€ ждем по адресу ashestopalov@yandex.ru

√лавна€ |  ак работают вещи | «наки | Ёнциклопеди€
 аталог сайтов |  арта | ¬се статьи раздела | —татистика | Ќовости
јвторы | јвторам