Глава 1. ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА

1.3 Преимущества волоконной оптики как коммуникационной среды

Важность каждого из этих преимуществ зависит от конкретного приме­нения. В некоторых случаях широкая полоса пропускания и низкие потери являются определяющими факторами. В других случаях важнее безопасность и секретность, достигаемые при использовании волоконной оптики. Ниже каждое из перечисленных преимуществ обсуждается более детально.

1.3.1 Широкая полоса пропускания

В предыдущих главах говорилось о растущей потребности в передаче все больших и больших объемов информации электронным способом. Потенци­альные возможности передачи информации возрастают с увеличением поло­сы пропускания передающей среды и частоты несущей. За время существования радио используемые для передачи частоты выросли на пять порядков, от примерно 100 КГц до приблизительно 10 ГГц. Частоты свето­вого сигнала на несколько порядков превосходят максимальные частоты ра­диоволн.

Изобретение лазера, в котором свет используется в качестве несущей, за один шаг увеличило потенциальный диапазон на четыре поряд­ка — до 100 000 ГГц (или 100 терагерц, ТГц). Волоконная оптика теорети­чески может работать в диапазоне до 1 ТГц, однако используемый в настоящее время диапазон еще далек от этого предела. Тем не менее при­меняемая полоса пропускания волоконной оптики превосходит аналогичный параметр медного кабеля. Можно добавить, что коммуникационные возмож­ности волоконной оптики только начинают развиваться, в то время как воз­можности медного кабеля достигли своего предела.

Как упоминалось ранее, телефонные компании все чаще используют циф­ровую связь. Более широкая полоса пропускания оптических систем обуслов­ливает более высокую скорость передачи битов и, следовательно, большее количество звуковых каналов, приходящихся на одну линию. Совместимость различных телефонных линий достигается согласованием скоростей переда­чи информации.

К достоинствам волоконной оптики относится широкая полоса пропуска­ния, значительно перекрывающая полосу пропускания, необходимую для передачи звуковых сигналов, что обеспечивает передачу телевизионного сиг­нала или организацию телеконференций, для которых требуется информа­ционная емкость в 14, а иногда и в 100 раз большая, чем для цифрового кодирования звуковых сигналов. Полоса пропускания волоконной оптики допускает мультиплексирование различных сигналов, например звуковых, видео или передачу данных. Поэтому волоконно-оптические линии связи на­чинают применяться не только для передачи на большие расстояния, но и в коммерческих и бытовых системах.

Как пример перспектив использования уникальных возможностей опти­ческого волокна приведем возможности передачи информации со скоростью 10 Гб/сек за время в одну секунду:

• 1000 книг

• 130 000 звуковых каналов

• 16 телевизионных каналов высокого разрешения (NDTV) или 100 ка­налов NDTV при использовании сжатия информации. (Канал NDTV использует существенно более широкую частотную полосу, чем обыч­ные телевизионные каналы.)

Для систем на коаксиальном кабеле подобные перспективы отсутствуют, поэтому оптические системы становятся незаменимыми для передачи сигна­лов на большие расстояния и с большой скоростью.

1.3.2 Низкие потери

Ширина полосы пропускания связана со скоростью передачи информа­ции. Потери (затухание) определяют расстояние, на которое может переда­ваться сигнал. По мере того как сигнал перемещается по передающей линии, будь это медный кабель или оптическое волокно, его амплитуда уменьшается. Это уменьшение амплитуды называется затуханием. В медном кабеле затухание увеличивается с ростом частоты модуляции. Чем больше частота сигнала, тем больше потери. Напротив, в оптическом кабеле затухание не зависит частоты и остается постоянным в определенном диапазоне частот, вплоть до очень высоких, и как правило, неиспользуемых частот. Таким образом, проблема затухания более характерна для медного кабеля, особенно при увеличении объема передаваемой информации.

Первая трансатлантическая волоконно-оптическая телефонная линия, ус­тановленная компанией АТ&Т в 1988 году, одновременно поддерживала 37 800 одновременных звуковых каналов в обоих направлениях на основе одной пары волокон. Расстояние между повторителями составляло 35 км. Напротив, лучшая трансатлантическая линия на коаксиальном кабеле под­держивала 4200 каналов и требовала установки повторителей через каждые 9.4 км. Существует теоретическая возможность создания волоконно-оптичес­кой системы, передающей 200 Мб/сек на расстояния от 80 до 100 км без повторителей.

Сочетание в волоконно-оптических системах широкой полосы пропуска­ния с низкими потерями приводит к их широкому использованию в теле­фонной индустрии. Такие системы позволяют не только передавать больший объем информации, но и требует меньшего количества повторите­лей — дорогостоящих электронных устройств, требующих существенных за­трат на установку и обслуживание. Уменьшение количества повторителей приводит к снижению стоимости системы.

1.3.3 Нечувствительность к электромагнитным полям

В отличие от медных кабелей, оптоволокно не излучает и не восприни­мает электромагнитные волны. Любой медный проводник действует подоб­но антенне, которая излучает и принимает электромагнитную энергию. Каждая часть электронного устройства может создавать электромагнитные наводки (ЭМН), влияющие на работу других частей устройства. Примеры влияния наводок:

• Военные отмечали столь высокую концентрацию электронных уст­ройств во Вьетнаме, что любое дальнейшее увеличение числа уст­ройств делало их концентрацию критической, не позволяя оборудованию нормально работать.

• Электронный кассовый аппарат интерферирует с передачей сигнала на частоте 113 МГц.

• Игровые видеоавтоматы пересекались с работой полицейской радио­связи в 42 МГц диапазоне.

• Некоторые персональные компьютеры, протестированные в 1979 году Федеральной комиссией по коммуникациям (Federal Communication Commission FCC), излучали настолько сильно, что мешали приему те­левизионных программ на расстоянии нескольких сотен футов.

• Электростатические разряды между компьютерными терминалами и операторами, приводят к искажению данных, записанных в память компьютера, мешают текущей работе и даже выводят из строя некоторые электронные элементы. (Электростатические разряды представляют собой удары, которые можно испытать в сухой день, пройдясь по ковру и коснувшись дверной ручки. Такие разряды соответствуют напряжению от 15 до 25 Киловольт.)

• Взрыв, вызванный статическим электричеством, убил трех рабочих на мысе Кеннеди в 1960 году.

• Рабочие газонасосных станций обнаружили, что средневолновые ра­диопередачи влияли на показания датчиков утечки.

• Радары аэропортов искажали записи об уплате налогов в компьютер­ном банке данных.

Электромагнитные наводки загрязняют окружающую среду и могут быть как несущественными, так и смертельно опасными. По мере возрастания плотности электронных устройств (что является неотъемлемой чертой ин­формационного века) влияние электромагнитных наводок становится все более существенным. Для борьбы с такого рода проблемами FCC разработа­ла в 1979 году рекомендации, лимитирующие уровень электромагнитных на­водок, обусловленных работой компьютеров. Европейские агентства стандартов предложили аналогичные рекомендации.

Существует простой способ демонстрации влияния ЭМН от компьютера или терминала. Нужно поместить радиоприемник, работающий в средне­волновом диапазоне, недалеко от работающего компьютера. При вращении ручки частотной настройки легко определить на какой частоте вы почувст­вуете влияние работающего компьютера на прием радиопередач. Чтобы ус­лышать разницу, нужно перенастроиться на другую программу. Шумы, которые были слышны, являются ЭМН.

Кабели, соединяющие оборудование, могут быть одним из главных источ­ников ЭМН. Они также наиболее восприимчивы к приему внешних сигна­лов, являющихся ЭМН от других устройств. В представленных примерах проявления ЭМН кабели работали подобно радиоантенне.

Поскольку оптические волокна не излучают и не воспринимают электро­магнитные волны, они являются идеальной средой с точки зрения ЭМН. Некоторые производства использует волоконную оптику именно по этой причине. При этом, как правило, нет необходимости в широкой полосе про­пускания и низком затухании оптического волокна. В частности, при вклю­чении и выключении моторов возникают ЭМН, которые влияют на работу сигнальных линий управляющего оборудования. Использование оптического волокна вместо медного кабеля позволяет избежать данной проблемы.

Высоковольтные линии приводят к аналогичному эффекту, поскольку они также излучают электромагнитную энергию. Медные сигнальные кабели нельзя прокладывать вблизи от этих линий без специальной защиты, по­скольку наводки от высоковольтной линии будут искажать передачу сигнала. Волоконно-оптические линии могут быть проложены совместно с высоко­вольтными без каких-либо негативных эффектов, поскольку наводки от вы­соковольтных линий на них не влияют.

Важнейший результат нечувствительности оптического волокна к навод­кам от электромагнитного излучения заключается в том, что световые сиг­налы не искажаются под влиянием ЭМН. Цифровая передача предполагает пересылку сигнала без ошибок. ЭМН могут быть причиной ошибок в элек­тронных системах передач. Всплеск ЭМН может привести к возникновению пика, в то время, как в исходном сигнале никакого пика не было. Таким образом, оптические волокна открывают новые возможности для передачи сигнал без искажений.

1.3.4 Малый вес

Оптическое волокно весит значительно меньше медного проводника. Во­локонно-оптический кабель той же информационной емкости, что и мед­ный, весит меньше медного, поскольку последний требует большего количества линий. Например, обычный одножильный волоконно-оптичес­кий кабель имеет вес 9 фунтов/1000 футов. Для сравнения, коаксиальный кабель весит в 9 раз больше — 80 фунтов/1000 футов. Оптимальный вес крайне важен в самолетостроении и автомобилестроении.

1.3.5 Малый размер

Оптический кабель меньше по размеру, чем его медный аналог. Кроме того, достаточно часто одно оптическое волокно может заменить несколько медных проводников. Медный кабель диаметром 4.5 дюйма может передавать 40300 двухсторонних разговоров на короткие рас­стояния. Волоконно-оптический кабель диаметром 0.5 дюйма, содержащий 144 волокна, обеспечивает 24192 разговора на каждую волоконно-оптическую пару или около 1.75 миллионов звонков на весь кабель в целом. Таким образом, емкость волоконно-оптического кабеля существенно превосходит емкость ко­аксиального, несмотря на то, что его диаметр почти в 10 раз меньше.

Малый размер оптоволоконного кабеля делает его использование привле­кательным в следующих областях:

• Самолеты и подводные лодки, где использование каждого квадратного дюйма является критическим. Применение волоконно-оптического ка­беля обусловлено не только экономией места, но также невозможнос­тью применения его медного аналога. Волоконная оптика позволяет эффективно использовать ограниченное пространство.

• Подземные телефонные кабельные каналы, особенно городские. В этом случае не только экономится место в кабельных каналах, но также учитывается высокая стоимость строительства новых каналов. При этом старые медные кабели заменяются оптическими кабелями, предоставляющими большие информационные возможности при эко­номии места. Толстый медный кабель, занимающий большой объем в кабельном канале, заменяется тонким оптическим кабелем, при этом остается место для прокладки новых кабелей в будущем.

• Компьютерные помещения, в которых кабели прокладываются в фальшполах. Как правило, эти кабели являются твердыми, что услож­няет процесс прокладки. Добавление новых кабелей также затруднительно. И здесь малый размер и гибкость оптического волокна устраняют эти проблемы. В ряде случаев можно обойтись настолько малым количеством волоконных кабелей, что отпадает потребность в использовании фальшполов.

1.3.6 Безопасность

Волокно является диэлектриком и не проводит ток. Его использование безопасно с точки зрения искро- и пожаробезопасности. Более того, волок­но не притягивает молнии. Волоконно-оптический кабель может также ис­пользоваться в опасных местах, в которых из соображений безопасности вообще не применялись кабели. Например, волокно можно проложить прямо через топливный бак.

1.3.7 Секретность

Один из путей подслушивания заключается в подсоединении к проводу. Другой путь - перехват радиоволн, излучаемых работающим оборудованием или кабелем. Несколько лет назад Соединенные Штаты обнаружили такого рода прослушивание переговоров своих посольств. Чувствительная антенна, спрятанная в близко стоящем здании, улавливала радиоволны, излучаемые электронным оборудованием, работающим в посольстве. Данная антенна воспринимала ЭМН как в примере с радиоприемником, обсуждавшемся ранее. Улавливаемый радиосигнал содержал сверхсекретные данные. Бизне­смены каждый год затрачивают миллионы долларов на защиту своих секретов, например на шифрование передаваемых сообщений.

Оптическое волокно является сверх безопасной средой для передачи информации. Оно не излучает волны, которые могут быть получены близкорасположенной антенной. Кроме того, подсоединиться к оптоволокну крайне тяжело Правительства и деловые круги рассматривают оптическое волокно как информационную среду, обеспечивающую секретность передачи информации.

1.3.8 Выводы

Широкая полоса пропускания, низкие потери и невосприимчивость к электромагнитным полям характерны для волоконной оптики. Эти особен­ности органично согласовываются, позволяя передавать данные с высокой скоростью на большие дистанции и с небольшим числом ошибок. Волокон­но-оптическая связь предоставляет возможность передавать текст 30-ти том­ной энциклопедии на 100 миль за 1 секунду. При этом уровень ошибок составляет один-два неверных символа за все время передачи.

В действительности, не все оптические кабели имеют низкие потери и ши­рокую полосу пропускания. В тех случаях, когда потери и высокие скорости не являются критическими, например, в автомобилестроении, достаточно хо­рошо работают более дешевые оптические линии. В автомобиле главным яв­ляется защита от шума, источником которого является система впрыска. Другие уникальные характеристики оптоволокна делают его наиболее подходя­щей передающей средой во множестве различных областей техники.