«625»
«Звукорежиссер»
«ТТК»
Оптико-волоконные технологии в вещательной сфере
Почему именно оптико-волоконные кабели?
Компании, занимающиеся вещанием, стали использовать в качестве основы для инфраструктуры своих систем оптико-волоконные кабели. По крайней мере, там, где нужно было прокладывать линии связи на большие расстояния или там, где в будущем предусматривалась модернизация и переход на сигналы высокого разрешения (HD). Оптико-волоконным кабелям свойственны очень низкие потери и невосприимчивость к помехам, поэтому они позволяют без использования ретрансляторов и усилителей передавать сигналы высокого разрешения (HD) на расстояния в несколько тысяч раз большие, чем по проводам с медным сердечником.
Типы оптико-волоконных кабелей
Выпускаются оптико-волоконные кабели различных типов, каждый из которых предназначен для конкретных целей. Но все оптико-волоконные кабели можно разделить на две основные категории — многоволновые (Multimode) и одноволновые (Single-mode), которые иногда еще называют «моноволновыми» (Monomode). Чем же они отличаются?
Оптико-волоконные кабели работают по принципу полного внутреннего отражения и состоят из двух частей — внутреннего сердечника и наружной оболочки. В процессе прохождения вдоль внутреннего сердечника световая волна ударяется о границу между сердечником и оболочкой и отражается от нее. Ее прохождение представляет собой серии «отскоков» на всем протяжении оптико-волоконного кабеля.
 |
| Устройство типичного оптико-волоконного кабеля |
 |
 |
| Одноволновой и многоволновой оптический кабель |
Для многоволновых кабелей в той или иной мере свойственны потери, обусловленные рассеиванием (дисперсией). Дисперсия возникает в тех случаях, когда угол падения световой волны в волокне превышает критический угол, необходимый для полного внутреннего отражения, что приводит в дальнейшем к потере этой волны.
По одноволновым волокнам передается существенно более однородная форма света в виде одной волны. Она не подвержена эффектам дисперсии, поэтому ее сигнал можно передать на значительно большие расстояния и с более высокими скоростями передачи.
Но и одноволновым волокнам присущи свои недостатки: большой диаметр и широкий волновой спектр. Поэтому проще осуществлять соединение с помощью многоволнового оптического кабеля, а не одноволнового. К тому же одноволновой кабель стоит, как правило, дороже, так как для него необходимы источники значительно более однородного светового пучка, а производство более тонких сердечников достаточно трудоемко.
В многоволновом оптическом кабеле одновременно перемещаются много световых волн, а достаточно большой сердечник кабеля вмещает их все. В одноволновом оптическом кабеле сердечник существенно меньше по размеру, и по нему передается только одна волна.
Лазеры или светодиоды?
Обычно используют источники света двух видов — cветодиоды (LED) и лазерные диоды (Lazer Diode). Глубокое исследование относительных преимуществ каждого из этих источников света находится вне рамок этой статьи. Но стоит все-таки отметить, что светодиодам не хватает рабочей скорости, необходимой для высокопроизводительных приложений на основе одноволновых кабелей. Поэтому их применяют с многоволновыми оптико-волоконными кабелями, по которым передается цифровой видеосигнал со стандартным разрешением на скорости до 270 Мбит/с. К тому же они излучают более широкий спектр волн и оказываются непригодными для тех приложений, в которых происходит комбинирование или уплотнение длины волны.
Лазерные диоды способны излучать световые волны разной длины и отличаются более высокой мощностью. Модули большинства производителей позволяют подбирать выходную мощность лазерного диода для конкретной системы. А возможность выбора длины световых волн для каждого сигнала позволяет комбинировать или уплотнять несколько различных сигналов при передаче по одному кабелю.
 |
| Типичный светоизлучающий диод |
Генерирование световой волны для прохождения по оптико-волоконному кабелю — это только половина задачи. Необходимо еще каким-то способом распознать ее на другом конце системы. Обычно это достигается за счет использования PIN-фотодиода. Хотя приемник (ресивер) может распознать многоволновой сигнал, следует все же стремиться к тому, чтобы он соответствовал типу передаваемого сигнала, так как устройство соединителей и концевых выводов на приемном фотодиоде должно быть оптимизировано под тип кабеля.
Чтобы не превысить нагрузку на фотодиоды, важно обеспечить корректную входную мощность. Мощность, которая доставляется на фотодиод, всегда будет меньше той, что была сгенерирована на передатчике, так как даже в простейших оптико-волоконных соединениях возникают некоторые потери.
Передатчики, приемники и приемопередатчики
В первых волоконно-оптических передатчиках электрические и электронно-оптические элементы представляли собой отдельные модули. Современные передатчики имеют гибридную конструкцию. Лазеры и интегральные микросхемы, модулирующие излучение, объединены в единый компактный модуль, что позволяет достичь больших частот модуляции и высокой надежности. Такой модуль является по сути электронно-оптическим преобразователем, в котором интенсивность выходного светового сигнала модулируется входным цифровым электрическим сигналом.
 |
| Типичный лазерный диод |
 |
| Схема работы дихроичного зеркала |
В начале решение было предельно простым. К моменту начала практического внедрения ВОСП (волоконно-оптических систем передачи) были созданы полупроводниковые лазеры, работающие в трех спектральных диапазонах: 850, 1310 и 1550 нм. Так как расстояние по спектру между спектральными линиями этих лазеров велико, то для сложения и введения их излучения в волокно не требовалось даже высококачественных мультиплексоров и демультиплексоров. Достаточно было обычных дихроичных зеркал.
Однако такое решение большого практического значения не имело. Свойства волокна слишком разные в различных участках спектра. Если излучение с длиной волны 1550 нм в современных волокнах может распространяться на расстояние до 100 км, то при длине волны 850 нм оно практически полностью затухнет уже через 10 км.
Современная интегральная оптика позволяет создавать недорогие и удобные в эксплуатации оптические передающие модули, объединяющие в одном кристалле лазер, модулятор и полупроводниковый усилитель. Разработаны оптические передающие модули, объединяющие мультилазеры, одновременно генерирующие сигналы на нескольких длинах волн, мультиплексор и полупроводниковый оптический усилитель мощности.
Спектральное уплотнение в связи с разработкой лазеров диапазона 1550 нм, имеющих разнос по рабочей длине волны менее 1 нм, значительно улучшилось. Применение резонаторов с распределенной обратной связью на основе дифракционных решеток Брэгга и внешними модуляторами позволило создать лазеры с шириной линии излучения 0,05 нм.
Иногда за лазером устанавливают регулируемый аттенюатор, плавно уменьшающий мощность лазера. Степень ослабления сигнала лазера выбирается исходя из характеристик первого регенератора в линии связи. В случае, когда одновременно используют несколько передатчиков с разными длинами волн, для выравнивания спектрального распределения мощности также требуется применение соответствующих аттенюаторов.
В системах DWDM наиболее широко применяют DFB-лазеры с резонатором типа Фабри-Перо. При этом дифракционная решетка выполнена на поверхности активной части кристалла лазера, что обеспечивает точный выбор длины волны лазерного излучения за счет оптической обратной связи.
 |
| Пример применения технологии CDWM в телерадиовещательном секторе. |
Важнейшие характеристики при выборе оптического приемника — это спектральная чувствительность (отношение силы тока к мощности оптического сигнала A/W в зависимости от длины волны), пороговая чувствительность (уровень входного сигнала, при котором он уже перестает различаться из-за шумов фотоприемника), спектральная и электрическая полосы пропускания, динамический диапазон, уровень шумов. Допустимое значение каждой характеристики фотоприемника зависит от его конкретного применения. Например, шумовые характеристики становятся более значимыми, когда перед фотоприемником установлен оптический предусилитель большой мощности.
С успехами DWDM связано еще одно перспективное технологическое направление — полностью оптические сети (All-Optical Networks). В таких сетях все операции по мультиплексированию/демульти-плексированию, вводу-выводу и перекрестной коммутации (маршрутизации) пользовательской информации выполняются без преобразования сигнала из оптической формы в электрическую.
Основные преимущества технологий DWDM:
- дальнейшее повышение коэффициента использования частотного потенциала оптического волокна;
- отличная масштабируемость — повышение суммарной скорости сети за счет добавления новых спектральных каналов без необходимости замены всех магистральных модулей;
- экономическая эффективность за счет отказа от электрической регенерации на участках сети большой протяженности;
- независимость от протокола передачи данных — технологическая «прозрачность», позволяющая передавать через оптическую магистраль трафик сетей любого типа (например, это позволяет добавлять к телевизионному сигналу SDI/HD-SDI сигналы управления RS-422/232 или GPI);
- независимость спектральных каналов друг от друга;
- совместимость с технологиями семейства Ethernet, Gigabit Ethernet и 10GE;
- стандартизация на уровне ITU-T.
Основным недостатком DWDM-технологии является сложность обеспечения качества оборудования и, как следствие, не слишком конкурентоспособные цены. Поэтому когда технологически не требуется высокая плотность оптической модуляции (не более 10 каналов по одному кабелю), то часто используют CWDM-оборудование в качестве альтернативы.