ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА теория и практика

Волоконная оптика теория и практика

Дэвид Бейли, Эдвин Райт

Свет в стеклянной среде может переносить больше информации на большие расстояния, чем электрический сигнал в медной среде. Он также не подвержен электростатическим или электромагнитным влияниям. Данная книга дает всесторонний обзор принципов действия, производства и использования оптического волокна, с большим акцентом на вопросы установки и разрешения проблем применения.

Первым шагом в разработке волокна для использования в передаче данных было создание стеклаг настолько чистого, чтобы был сохранен один процент света в конце волокна длиной один километр, традиционное расстояние для телефонных систем на медной основе (без повторителей). При этом затухание составляет 20 дБ на километр (20 дБ/км). В течение 1960-х гіг. исследователи во всем мире работали над этой проблемой, и прорыв произошел в 1970 г., когда ученые из Корнинга (Coming) д-р Морер (Dr. Maurer), д-р Кек (Dr. Keck) и д-р Шульц (Dr. Schultz) создали волокно с требуемыми параметрами затухания.

С тех пор с точки зрения производительности и применений технология стеклянных волокон чрезвычайно продвинулась.

Производительность современного волокна приближается к теоретическому пределу изготовленных на кварцевой основе стеклянных материалов, и это позволяет волокну при использовании с соответствующей электроникой передавать оцифрованные световые сигналы без усиления на расстояния, существенно большие 100 км. По сравнению с ранними уровнями затухания 20 дБ на км, современные достижимые уровни - менее 0,35 дБ/км на 1310 нанометрах (нм) и 0,25 дБ/км на 1550 нм - совершенно поразительны.

Оптическое волокно широко используется в различных областях; назовем лишь немногие:

• автомобильная промышленность;

• здравоохранение;

• воспроизведение изображений;

• освещение;

• машинное видение;

• микроскопия;

• ночное видение;

• управление транспортными потоками;

• передача данных;

• локальные сети.

Эта книга дает как новичку, так и опытному пользователю твердое понимание принци­пов и практической реализации применения волоконных кабелей в промышленных прило­жениях. После прочтения книги, мы надеемся, у вас будут:

• прочные знания в области волоконно-оптических систем связи;

• понимание современного положения в волоконно-оптической технологии и в практике развертывания систем связи;

• достаточный объем знаний для соединения и тестирования волоконно-оптических систем;

• знание нужных процедур по установке и оконцовыванию кабелей;

• знания для установки вашей собственной полностью работоспособной волоконно - оптической системы;

• интуитивное понимание новых подходов в разрешении проблем с волоконной оптикой. Эта книга предназначена для следующих категорий инженеров и техников:

• инженеров контрольно-измерительной аппаратуры;

• инженеров-Электриков;

• проектировщиков и менеджеров;

• дизайнеров; ,

• инженеров и техников по телекоммуникациям;

• инженеров по управлению технологическими процессами;

• инженеров, техников и контролеров по техническому обслуживанию;

• инженеров-консультантов;'

• системных программистов;

• электриков;

• электротехников и техников по измерительной аппаратуре.

Для понимания очерченных концепций будет полезно базовое знание принципов элек­тротехники и электроники, но в книге рассматриваются также и основы, поэтому понимать ключевые понятия будет проще.

Материал в книге изложен последовательным образом для обеспечения логичного изложе­ния предмета волоконной оптики.4 Он изложен также в том порядке, какой используется в про­ектировании волоконно-оптической системы передачи. Книга имеет следующую структуру.

Глава 1: Введение в волоконно-оптические системы. Эта глава представляет основы к содержанию книги, исторический обзор развития волоконно-оптической связи и сравнение технологий на медной основе и волоконно-оптической технологии.

Глава 2: Определения и фундаментальные принципы волоконно-оптичёских систем связи. Эта глава является введением в важные принципы и понятия электронной связи. Она также содержит краткий обзор различных видов медных кабелей и их рабочих характеристик.

Глава 3: Теория волоконно-оптической передачи. Эта глава обсуждает теорию, связанную с передачей информации по оптическим волокнам. В ней рассматриваются различные виды доступных волокон, параметры передачи, различные моды передачи и потери, связанные с оптическими волокнами.

Глава 4: Строение волоконно-оптического кабеля. Данная глава детализирует различные виды доступных волоконно-оптических кабелей и описывает их устройство. Излагаются подробные сведения по применению и окружению, в котором используется каждый вид конструкции кабеля.

Глава 5: Соединения и коннекторы. Эта глава предоставляет подробное описание различных видов коннекторов и соединений, которые используются с волоконно - оптическими кабелями, преимущества и недостатки каждого из них. Приведено также подробное практическое описание процесса соединения волоконно-оптических кабелей.

Глава,6: Оптические устройства. В этой главе обсуждаются теория и принципы действия оптических устройств, включая генераторы, детекторы, соединители, решетки (grates) и усилители. В ней представлены подробно различные виды доступных оптических устройств, их рабочие характеристики и ограничения.

Глава 7: Установка волоконно-оптических кабелей. Эта глава описывает различные способы, использующиеся для установки волоконно-оптических кабелей. В ней изложен практический подход к прокладке кабелей в различных условиях и выделяются возмож­ные проблемы, с которыми можно столкнуться.

Глава 8: Проектирование волоконно-оптической системы. Эта глава представляет систематический практический подход к проектированию волоконно-оптической системы связи. В ней подробно обсуждается анализ как энергетического потенциала, так и бюдже­та полосы пропускания, а также предоставляется полезная информация об эффективном контроле расходов при реализации волоконно-оптических систем.

Глава 9: Тестирование волоконно-оптических систем. Эта глава описывает тесты, которые можно провести с оптическими волокнами, и объясняет, как проводить тестирование перед и после установки волоконно-оптических систем. Приведено также краткое описание измерения параметров волокна.

Глава 10: Технологии, использующие волоконную оптику. В этой главе кратко обсуждаются основные технологии и стандарты, использующие оптические волокна в качестве среды передачи.

Введение

Мы стали свидетелями растущей потребности в передаче огромных объемов информа­ции на большие расстояния. Интенсивно использовавшиеся для передачи информации в течение последних 20 лет технологии, такие, как коаксиальные кабели, спутниковая и микроволновая связь, очень быстро исчерпали свои возможности. Потребности в объе­мах передачи далеко превосходили возможности существующих систем.

В промышленных системах с повышенным уровнем помех, где быстро росла нужда в передаче данных и создании сетей систем контроля, ощущалась растущая потребность в новой среде передачи. Решение проблем ограниченной пропускной способности передачи и повышенного уровня помех в условиях производства было успешно найдено с появлением оптоволоконных систем связи.

Оптическое волокно - это простая тонкая стеклянная нить, действующая как свето­проводящий канал. Для представления цифровой информации проходящий сквозь стек­лянное волокно свет можно включать и выключать, а для представления аналоговой информации - менять его амплитуду, Частоту или фазу.

Оптоволоконная передача стала одной из самых захватывающих и быстроразви - вающихся областей в телекоммуникационной технике. Для большинства из нас, не стал­кивавшихся ранее с этой технологией, она может показаться чем-то вроде черной магии, которую лучше оставить экспертам. Однако в действительности это сравнительно простая технология. По сравнению с'кабельными, микроволновыми системами связи и радиосвя­зью (которые действительно являются черной магией!), оптоволоконные системы связи гораздо проще понимать и проектировать.

Оптоволоконные системы связи имеют много преимуществ перед более привычными системами связи. Они менее подвержены помехам, не проводят электричество, обес­печивая электроизоляцию, поддерживают чрезвычайно высокие скорости передачи и передают данные на очень большие расстояния. Эти и другие достоинства детально обсуждаются на страницах данной книги.

Оптоволоконные системы передачи тоже не совершенны - в проектировании, реализа­ции и работе с системами связи на их основе есть свои сложности. Эта книга призвана дать основательную подготовку в области оптоволоконных систем связи и проил­люстрировать проектирование и развертывание этих систем. Здесь рассмотрены многие проблемы, связанные с реализацией оптоволоконных систем, и представлены работо­способные решения этих проблем.

Цель данной книги - дать читателю основательные, детальные и практичные рекомен­дации. Книга содержит информацию, представляющую практический интерес, в ней не рассматриваются не относящиеся к делу технические и математические тонкости, как во многих других работах по этому предмету.

В данной главе представлены краткий обзор основных понятий, относящихся к опто­волоконной связи, история развития волоконной оптики и сравнение традиционных кабельных и оптоволоконных сред передачи.