Новые технические решения по соединителям волоконной оптики

Новые технические решения по соединителям волоконной оптики

Рассматриваются современные решения по соединителям и волоконно-оптическим кабелям, разработанным для применения в полевых условиях и на любых подвижных объектах. Представлены специальные требования, необходимые по их применению в любых условиях.

Ключевые слова: оптическое волокно, соединители (коннекторы), полевые и подвижные объекты, промышленные воздействия

Портнов Э.Л., Григорьян А.К.

Кочемасов Д.В.,

МТУСИ

В промышленной и гражданской деятельности мирового сообщества волоконная оптика становится основным средством передачи информации, активно вытесняя из применения медные кабели как на магистральных и внутризоновых сетях, так и на местных сетях и во всех отраслях жизнедеятельности человека. Учитывая интенсивное внедрение волоконной оптики на стационарных и протяженных объектах, возникла настоятельная необходимость замены медных сетей на полевых и на подвижных объектах (самолеты, корабли, поезда, спутники, ракеты и другие подвижные объекты).

До 2015 г. в России предполагается полная интеграция существующих сетей (включая сети подвижной связи, вещания и сеть Интернет) в единую федерацию сетей. Интернет трафик в мире уже в 2007 г. составил 6 Петабайт в день, при этом, суммарная скорость по одному оптическому волокну достигла 4 Тбит/с, а по медному кабелю 1 Гбит/с.

За последние 20 лет объем хранимой информации увеличился в 100 раз, с 2,6 экзабайт в 1998 г. до 295 экзабайт в 2007 г. 94% информации хранится в цифровом формате. Скорость обработки информации растет на 58% в год, количество переданной информации на 28% в год, а общие запасы возрастают на 23% в год и все это за счет развития волоконной оптики.

Рекордная линейная скорость в одном канале оптического волокна составляет на 2010 г. 606 Гбит/с на длине 1600 км при наивысшей спектральной эффективности (ЕСОС 2010 Берлин), а в 2011 г. в Японии по одному оптическому волокну была получена скорость 100 Тбит/с на длине порядка 128 км.

В настоящее время применение волоконно-оптических систем позволяет передавать информацию в большом объеме и большому числу объектов и использовать цифровое видео, голос, данные [1-4]. В бизнесе и промышленно-

сти ВОС (волоконно-оптические сети) становятся универсальными для передачи на большие расстояния необходимой информации в любом объеме и с большими скоростями. В военной технике также необходимо передавать большие объемы информации с большой скоростью и, несомненно, волоконно-оптические системы вытеснят медные кабельные системы и из военной промышленности [2].

Для передачи электрических сигналов по волоконным световодам применяют системы оптической передачи. Ее компонентами являются элетрооптический преобразователь как передатчик света в начале линии, собственно волоконно-оптическая линия и электрооптичес-кий преобразователь как приемник света на конце линии. Как и в системе с металлическими проводами, имеются оконечные устройства в начале и в конце линии. Устройства, расположенные между ними — это усилители для аналоговой передачи и регенераторы для цифровой передачи, соединители строительных длин оптических кабелей в промежуточных пунктах, соединители к усилителям и другим промежуточным объектам, и большое число других вспомогательных устройств, улучшающих передачу сигнала от передатчика к приемнику.

Оптические и электрические системы передачи имеют одни и те же электрические устройства сопряжения. Это означает, что при внедрении волоконно-оптической технологии достигается важная цель, которая, прежде всего, значительно облегчает интеграцию в существующие сети.

В качестве способа передачи для волоконных световодов применяется в основном цифровая технология, так как она обеспечивает свободное сочетание скоростей передачи бит самых различных источников (телефонные сети, сети передачи данных и др.). С внедрением волоконно-оптической техники аналоговая технология передачи сигналов продолжает терять свое значение и используется лишь для специальных областей применения.

Наиболее важными функциями цифровой технологии передачи являются аналогово-цифровое преобразование (главным образом,

речь), мультиплексирование (объединение) цифровых сигналов и передача цифровых сигналов, например, по оптическим волокнам. С внедрением цифровой технологии были созданы предпосылки для интеграции услуг, таких как телефонная связь, телекс, передача данных и телефакс.

Основным преимуществом оптических кварцевых и полимерных волокон в конструкциях оптических кабелей связи является спектр электромагнитных волн, свободный от других источников сигналов.Оптические волокна занимают спектр 1014 -1015 (ТераГерцы-ПетаГерцы).

При увеличении требований к скорости передачи, соединений низкой стоимости на коротких расстояниях, можно применить полимерные оптические волокна. В таблице 1 показаны области применения как кварцевых одномодовых и многомодовых оптических волокон, так и полимерных оптических волокон и оставшееся место для симметричных и коаксиальных кабелей связи [4]. Развитие элементной дешевой базы для полимерных оптических волокон позволит им внедриться в домашнюю инфраструктуру телекоммуникационных систем и в структуру полевых и подвижных объектов.

Волоконно-оптическая кабельная линия состоит не только из передатчика сигнала, кабеля и приемника оптического сигнала, но и из многих элементов, без которых функционирование линии невозможно. К таким элементам относятся как активные, так и пассивные элементы. К активным элементам относятся лазерные и светодиодные источники многоцелевого назначения, модуляторы, фотодиоды различного применения, регенераторы и усилители различных технологических решений со сре-доточенным и распределенным применением.

В таблице 1: КП — коаксиальная пара, СК — Симметричный кабель, ОМОВ — одндмодовое оптическое волокно, ММОВ — многомодовое оптическое волокно, ПОВ — полимерное оптическое волокно.

Согласно рекомендации G 671 МСЭ 1996 г., к пассивным оптическим компонентам относятся:

Т-Сотт #1-2012

27

— мультиплексоры и демультиплексоры, включая WDM устройства;

— разветвители, ответвители, разделители (сплиттеры);

— аттенюаторы;

— изоляторы;

— переключатели, коммутаторы;

— пассивные компенсаторы дисперсии;

— коннекторы и другие соединители;

— оконцеватели для подавления отражений;

— адаптеры;

— волоконно-оптические циркуляторы;

— соединительные муфты;

— ремонтные вставки.

Каждый вид сети требует использования определенного числа как общих, так и специальных типов пассивных устройств.

Каждое устройство, используемое в схеме передачи светового сигнала, является источником вносимых потерь.Так, например, сами оптические волокна вносят затухание 1,5-2,0 дБ-многомодовое ОВ на длине волны 0,85 мкм, 0,35-0,4 дБ — на дине волны 1,3 мкм, 0,190,25 дБ на длине волны 1,55 мкмз одномодовое волокно, 0,4-0,5 дБ — соединительОВ (коннектор), сваное соединение ОВ — 0,05-

0,2 дБ, разветвитель (2:1)---3 дБ, сплиттер —

3дБ, фильтр — 3 дБ [1]. Оно также будет источником отражений, обычно характеризуемых потерями на отражение. Эти потери обычно измеряются в децибелах. Несомненно, основной средой передачи сигналов является в настоящее время оптическое волокно, помещенное в различные кабельные конструкции.

В таблице 2 представлены спектральные диапазоны многомодовых и одномодовых оптических кварцевых волокон, полосы, занимаемые каждым диапазоном, среднее значение затухания в этом диапазоне [3].

Существующие стандарты в основе своей связаны со стационарными объектами: стандарт ISO 11801 — 2002 г. для локальных сетей, стандарты IEC, имеющие дело с протяженными линиями.

В конструкциях ОК используются различные типы ОВ: кварц/кварц, кварц/полимер, полимер-полимер [2]. Размеры сердцевина/оболочка представлены в табл. 3.

Волоконно-оптическая среда идеально подходит в жестких условиях, где определяющим условием являются электромагнитные помехи, пропускная способность, расстояния, размер и вес, суровые погодные условия и температура. Соединительные системы с расширением светового пучка в соединении в отличие от традиционных стыковых соединителей идеально подходят для самых критических условий

Таблица 1

Области применения оптического волокна и медных кабелей в мировой структуре сетей

10000 км КП \ ОМОВ Магистральные линии связи

1000км КП, СК \ ОМОВ

100км КП, СК \ ОМОВ Внутризоновые линии связи

10км СК \ ОМОВ Местные сети связи

2км СК \ ОМОВ, ммов Сети доступа, СКС

1км СК \ омов, ммов Сети доступа, СКС, подвижные и полевые объекты

100м СК, К, МЕДЬ \ ммов,пов Сети внутри зданий, подвижные и полевые объекты

Юм СК, КП \ пов Сети внутри зданий, автомобили

1м СК, КП \пов Соединения внутри устройств

10см СК \ Приборные соединения

Таблица 2

Спектральные диапазоны для многомодовых и одномодовых кварцевых оптических волокон

Диапазон Диапазон длин волн, нм Название диапазонов Полоса диапазона Коэффициент затухания в полоса а, дБ/км

нм ТГц

А-диапазон 790-910 120 21 0,35

О-диапазон 1260- 1360 Основной (Original) 100 17,5 1,5/0,35

Е-диапазон 1360- 1460 Расширенный (Extended) 100 15,1 0,25

S-диапазон 1460- 1530 Коротковолновый (Shortwavtlength) 70 9,4 0,19

С-диапазон 1530 — 1565 Стандартный (Conventional) 35 4,4 0,20

L-диапазон 1565 -1625 Длинноволновый (Long wavelength) 60 7,1 0,20

UXL-диапазон 1625 -1675 Сверхдлинный (Ultra-long wavelength) 50 5,5 0,22

Всего: 415нм 59ТГц

Таблица З

Широко применяемые OВ

Тип ОВ Сердцевина/оболочка Внешний диаметр, мкм

1. Одномодовые 9/125 125,5

2. Одномодовые 9/125 126

3. Многомодовые 50/125; 62,5/125 126

50/125; 62,5/125 127

100/140 142

100/140 144

100/140 145

62,5/125/155 156 полиамид

62,5/125/155 157 полиамид

100/140/172 173 полиамид

100/140/172 175 полиамид

200/230 231

200/233 236

200/280 286

400/440 448 полимер-полимер

486/500 533 полимер-полимер

2S

T-Comm #1-2012

соединения волоконно-оптических кабелей и устройств. Система в герметичном виде обеспечивает полную защиту от воды, грязи, пыли, масла и других загрязнений в любых полевых условиях Эти запечатанные сборки идеально подходят для мониторинга окружающей среды, где они многократно подвергаются демонтажу и монтажу. Также они эффективны в геофизической разведке, общественном транспорте и тактических военных решениях, обеспечивая преимущества перед медными решениями.

Оценивая затраты при переходе от медных кабелей к оптическим волокнам, следует рассматривать краткосрочную и долгосрочную перспективу. При краткосрочной перспективе дешевле использовать медные кабели при постепенном расширении возможностей передачи данных , так как на требуется увеличивать число передатчиков, приемников, регенераторов, усилителей и преобразователей, соединителей и целый ряд новых элементов, так необходимых для интеграции оптического волокна в действующие электронные системы. Вместе с тем, в дальней перспективе переход на волоконно-оптические системы должен быть реализован в решениях по повышению производительности, электромагнитной совместимости, безопасности, уменьшению веса и занимаемых площадей, пропускной способности, легкости установки, снижения затрат на техническое обслуживание, несравнимые с медными решениями по пропускной способности оптического волокна как в реализуемом объеме так и за счет введения дополнительных оптических волокон, повышающих надежность и длительный срок службы системы в целом.

Разъемы с расширением луча предназначены для развертывания системы связи в самых тяжелых условиях, где высокая производительность и надежность являются критическими. Соединение без адаптеров обеспечивает надежную работу всей системы в целом. Различные современные материалы корпуса позволяют использовать эти решения в арктических, морских средах, в пустынях и джунглях, т.е. в любых регионах мира при любых климатических условиях.

Используются гибридные коннекторы с одномодовыми и многомодовыми оптическими волокнами и медными жилами [2]. Гибридные коннекторы (приемные и передающие) с расширенным лучом (hermaphroditic expended beam connectors) "гнездо-штекер" в одной конструкции позволяют быстро в полевых условиях, с низкими потерями переключать одномодовую, многомодовую и гибридную линию (рис.1, 2).

Рис. 1. Гибридный коннектор фирмы Glenair

Конструкция гибридного (гнездо-штекер) коннектора включает 2 или 4 волоконно — оптических канала, одномодовое и многомодовое оптическое волокно; 2 + 2 гибридную конфигурацию, многократное изменение длины волны. Соединение осуществляется без использования адаптеров.

Однако, применение различных устройств для компенсации дисперсии и, в частности, поляризационной дисперсии все больше требует новых решений. При увеличении скорости передачи выше 10 Гбит/с кроме хроматической дисперсии начинает интенсивно влиять поляризационная модовая дисперсия (ПМД). Особенно это сильно сказывается на стандартном оптическом волокне (ОВ) и на уже установленных оптических волокнах, у которых ПМД параметр в 100-1000 раз больше, чем у самых современных ОВ. Поэтому, целесообразно использовать современные разработки для подавления влияния ПМД на передачу в установленных ОВ. Динамическая компенсация ПМД базируется на следующем принципе: включение линии задержки одной из компонент поляризации фундаментальной моды [^^0!. Одним из достижений оптической компенсации ПМД, базируется на оптике в свободном пространстве. Однако, этот метод имеет большое число трудностей, связанных с отражением и выравниванием. Другой метод основан на температурной настройке малых длин ОВ с большим двулучепреломлением. Третий метод основан на применении Брегговских решеток. Наиболее эффектным является метод, основанный на оптической линий задержки между ортогонально поляризованными модами в динамическом компенсаторе ПМД, которая может настраивается в широком диапазоне длин волн.

В данном решении Брегговская решетка реализована в ОВ с большим двулучепрелом-

Рис. 2. Соединители с расширением светового луча

лением. В этом ОВ компоненты моды [Р01 по осям х и у имеют различные показатели преломления. В общем виде отражение на максимальной длине волны Брегговской решетки записывается:

Ла — InjQQА

где пэфф — эффективный показатель преломления ОВ, Л — период индекса модуляции Брегговской решетки.

Однако, из-за различия показателя преломления в двулучепреловляемом ОВ, Брегговская решетка будет отражать две различных длины волны на ортогональных поляризациях. Разница между двумя длинами волн (Л^ов) зависит от двулучепреломления ОВ (В) и записывается как:

^Лдов 2ВЛ

В Брегговской решетке, записанной в ОВ с большим двулучепреломлением (СДОВ) каждая позиция решетки будет отражать две длины волны на ортогональных поляризациях. Это означает, что групповая задержка есть комбена-ция двух линейных функций, одна для каждой поляризации, с одним и те же наклоном ^) и

смещением Диодов.

ту(,) = D6, + а

Тх(,) = ^(^“ - Д,сдов) + а

где а — постоянная величина, у — поляризация

— быстрая ось ДОВ, x — поляризация — медленная ось ДОВ.

Кроме того, относительная групповая задержка, наводимая в Брегговской решетке, записанной в ДОВ (Д, = тм - т ):

T-Comm #1-2012 29

Ат — - Dd АЛа1Л —2DdB\

Брегговская решетка с наводимым тепловым полем будет иметь дисперсию:

2Ln...

D „--------too. at Ф 0

“ cS AT

где L — длина решетки, c — скорость света, S — температурная чустви-тельность ОВ.

S = 13,7 рм/°С для решетки,записанной на Л = 1550 нм в кварцевом ОВ с примесью GeO2 в сердцевине [5].

Полученные решения позволяют использовать соединитель с расширением светового пучка для компенсации хроматической и поляризационной дисперсий.

Литература

1. Волоконно-оптическая техника: Современное состояние, перспективы. 2-е издание переработанное и дополненное / Под ред. Дмитриева С.А и Слепова Н.Н. — М.: ООО "Волоконно-оптическая техника", 2005. — 575 с.

2. Glenair Fiber Optic Inteconnect Solutions. Проспект фирмы Glenair. USA, 2010.

3. Портнов Э.Л. Принципы построения первичных сетей и оптических кабельных линий. М. Горячая линия — Телеком 2009, 544 с.

4. Портнов Э.Л. Оптические кабели и пассивные компоненты линий связи. М. Горячая линия — Телеком, 2007, 464 с.

5. A Othonos and K. Kalli Fiber Bragg grating Fundamentals and applications in telecommunications and sensing Arlech House, Norwood, MA, 1999, 419 p.

New technical determinations on connectors of fiber optic

Portnov E.L., Grigorjan A. K., Kochemasov D.V

Abstract

Consider modern determination on connectors and fiber-optic cables, developed for employ in field conditions and on any mobile objects. Offer special demands for its employ in any condition.

Keywords

Optic fiber, connectors, field and mobile object, industial influence. References

1. Fiber-optic technology: Current status and prospects. [Volokonno-opticheskaya tekhnika: Sovremennoe sostoyanie, perspektivy. 2- izdanie.

— M.: OOO "Volokonno-opticheskaya tekhnika"], 2005. — 575 p.

2. Glenair Fiber Optic Inteconnect Solutions. USA,2010.

3. Portnov E. L. Principles of construction of primary networks, and optical cable lines. [Printsipy postroeniya pervichnykh setyej i opticheskikh kabel-nykh linij. — M. Goryachaya liniya- Telekom 2009, 544 p.

4. Portnov E. L. Optical cables and passive components of the communication lines [Optical cables and passive components of the lines -Moscow Hot Line - Telecom], 2007, 464 p.

5. A. Othonos and K. Kalli Fiber Bragg grating Fundamentals and applications in telecommunications and sensing Artech House, Norwood, MA, 1999, 419 p.

ГК Цезарь Сателлит и ГК "НАВИС Групп" заключили стратегическое соглашение о партнерстве

ГК Цезарь Сателлит и ГК "НАВИС Групп" объединяют свои усилия на навигационном рынке Российской Федерации. Основной целью соглашения является разработка целого спектра новых продуктов для пассажирского и коммерческого автотранспорта на основе Глобальных навигационных спутниковых систем/

Согласно требованиям ряда нормативных документов Правительства РФ, отдельные категории грузового и пассажирского транспорта должны быть оснащены НАП ГЛОНАСС/GPS и иметь возможность передачи установленной информации в региональные подразделения Ространснадзора. Закон вступает в силу с 23 января 2012 г.

Для того, чтобы удовлетворить растущий спрос на ГЛОНАСС/GPS оборудование и обеспечение его мониторинга был создан альянс ведущего российского разработчика технологий и оборудования, использующих сигналы ГЛОНАСС/GPS - ГК "НАВИС Групп" и крупнейшего отечественного оператора телематических охранно-мониторинговых систем ГК Цезарь Сателлит. В рамках подписанного соглашения ответственность за разработку и производство НАП возлагается на "КБ НАВИС", создающее с 1996 г. надежную и доступную аппаратуру для потребителей. На бюро также возложена задача по созданию оборудования, способного распознавать наличие на транспортном средстве системы ГЛОНАСС и ее соответствие стандартам и требованиям государственного проекта. Реализацию данного оборудования осуществляет НВС Телематические Системы, входящее в ГК НАВИС Групп.

ГК Цезарь Сателлит выступает в качестве сервис-провайдера и обеспечивает конечного пользователя программным обеспечением, а также осуществляет мониторинг ГЛОНАСС/GPS устройств. С целью реализации данного проекта ГК Цезарь Сателлит задействует мощности всех своих мониторинговых центров, работающих в едином информационном пространстве по всей территории России и позволяющих оперативно решать задачи любой сложности, включая экстренное реагирование в случае чрезвычайной ситуации на дороге. Цезарь Сателлит обладает всей необходимой инфраструктурой, позволяющей осуществлять экстренное реагирование в случае чрезвычайной ситуации на дороге. Серверы и мониторинговые центры компании позволяют оперативно решать задачи любой сложности. В числе ноу-хау — аппаратнопрограммные комплексы, с помощью которых можно оборудовать как стационарные, так и мобильные клиентские терминалы с доступом через Интернет. Помимо готовых решений компания предлагает разработку уникального программного обеспечения для нужд конкретного заказчика.

Помимо основной задачи проекта по внедрению систем, необходимых для реализации Постановления правительства, в план совместного стратегического развития входит разработка и вывод на рынок ряда высокотехнологичных услуг для владельцев малых и крупных транспортных предприятий. Совместное усилие ведущих игроков навигационного рынка даст возможность предложить потребителю уникальный спектр оборудования и услуг, что позволит поднять информатизацию и безопасность на транспорте на качественно новый уровень.

30

T-Comm #1-2012