Волоконная оптика

Оптоволоконный кабель, если он корректно протянут и заделан – это лучшее и самое надежное средство передачи сигнала. Несмотря на то, что более тридцати лет этот тип кабелей использовался в удаленных телекоммуникационных линиях связи, даже в трансокеанских, в видеонаблюдении избегали или отказывались от его использования.

Главной причиной стал страх перед неизвестной технологией, которая считалась «нежной и чувствительной», и к тому же «слишком дорогой».

Оптоволоконный кабель имеет огромные преимущества перед другими средствами передачи сигнала, и хотя он считается дорогим и сложным при заделке, но со временем становится все дешевле и проще в использовании.

Самые главные преимущества – это иммунитет к электромагнитным помехам, более безопасная передача, более широкая полоса пропускания и намного большая протяженность линии без усиления. Поэтому мы уделим этому типу передачи особое внимание.

Рис. 10.34. Оптоволоконый кабель миниатюрен и хрупок, но он заключен в прочную оболочку

Почему волоконная оптика?

Волоконная оптика – это технология, в которой в качестве носителя информации используется свет; при этом не важно, о каком типе информации идет речь – аналоговом или цифровом. Обычно используется инфракрасный свет, а средой передачи служит стекловолокно.

Передача сигналов по стекловолокну имеет ряд преимуществ перед существующими «металлическими» средствами передачи. Это:

– Очень широкая полоса пропускания.

– Очень низкое ослабление сигнала, порядка 1.5 дБ/км по сравнению с 30 дБ/км для коаксиального кабеля RG‑59 (для сигнала 10 МГц).

– Волокно (являющееся диэлектриком) создает электрическую (гальваническую) изоляцию между передающим и принимающим концом линии, поэтому невозможно возникновение «земляных петель».

– Свет как носитель сигнала полностью остается внутри оптоволоконного кабеля, поэтому не вызывает помех в соседних кабелях или других оптоволоконных кабелях.

– Стекловолокно не чувствительно к внешним сигналам и электромагнитным помехам (ЭМП), поэтому совершенно не важно, рядом с каким блоком питания будет проходить кабель – 110 В, 240 В, 10 000 В переменного тока или совсем близко от мегаваттного передатчика. Даже если молния ударит в одном сантиметре от кабеля – никаких наводок не будет.

– Оптоволоконный кабель миниатюрен и легок.

– Невозможно сделать ответвление оптоволоконного кабеля, не повредив при этом качества сигнала, что немедленно обнаруживается на принимающем конце линии. Это особенно важно для систем безопасности.

– Цена оптоволоконного кабеля падает с каждым днем. Обычный оптоволоконный кабель стоит от $1 до $5 метр в зависимости от типа.

У оптоволоконного кабеля есть определенные недостатки, но и они со временем будут исправлены:

– Концевая заделка оптоволоконного кабеля требует специальных инструментов и большей точности и мастерства, чем в случае других средств передачи.

– Возникают трудности с переключением и маршрутизацией сигналов.

Оптоволоконный кабель имеет больше преимуществ, чем какой‑либо другой.

Многие годы оптоволоконный кабель использовался в телекоммуникациях и теперь становится все более популярен в видеонаблюдении и системах безопасности.

По мере усовершенствования технологии концевой заделки и сращивания кабеля, а также его удешевления, все больше систем видеонаблюдения и безопасности будут использовать волоконную оптику.

Концепция

Концепция волоконной оптики опирается на фундаментальные законы отражения и преломления света.

Может показаться невероятным, что стекловолокно может удерживать световые лучи внутри световода, не давая им «пройти сквозь стены», при передаче сигнала на многие километры. Чтобы понять этот эффект, придется освежить в памяти физические принципы полного отражения.

В начале XVII века физик Виллеброрд Снелиус заложил основы теории преломления и отражения света.

Когда свет попадает в более плотную среду, его скорость уменьшается и изменяется направление распространения, что объясняется волновой природой света при распространении в среде (см. раздел по оптике). Проявлением этой природы является сильное отклонение луча при попадании в другую среду.

Все мы видели «сломанную» соломинку в стакане воды. Это и есть преломление.

Показатель преломления обычного стекла равен примерно 1.5. Чем выше показатель преломления, тем меньше скорость света в среде и тем больше угол преломления при пересечении лучом поверхности раздела.

Почему так прекрасен алмаз? Игра цветов объясняется тем, что алмаз имеет высокий показатель преломления (2.42), а луч белого света (естественного) состоит из всех цветов (длин волн).

Волоконная оптика опирается на особый эффект – преломление при максимальном угле падения, когда имеет место полное отражение. Это явление происходит в том случае, когда луч света выходит из плотной среды и попадает в менее плотную среду под определенным углом.

На рис. 10.35 продемонстрирован эффект полного отражения при наблюдении из‑под поверхности воды. Начиная с некоторого определенного угла (и при меньших углах) наблюдатель не сможет видеть объекты, находящиеся над поверхностью воды. Этот угол называется углом полного отражения. При этом угле (и меньших) наблюдатель будет видеть только объекты, находящиеся под водой: будет казаться, что смотришь в зеркало (если предполагать, что поверхность воды абсолютно неподвижна).

Рис. 10.35. Эффект полного отражения

Рис. 10.36. Полное отражение лазерного луча в оптоволоконном канале

Рис. 10.37. Волоконная оптика основывается на эффекте полного отражения

Используя закон Снелиуса мы можем рассчитать угол полного отражения для показателя преломления воды (1.33):

sin Ф_T = 1.00/1.33= 0.752 => Ф_T = 48.6°(51)

Концепция передачи сигнала по оптоволоконному кабелю опирается на те же принципы.

Внутренняя жила (нить) оптоволоконного кабеля имеет более высокий показатель преломления, чем оболочка. Поэтому луч света, проходя по внутренней жиле, не может выйти за ее пределы – из‑за эффекта полного отражения.

На передающем конце кабеля находится светодиод или лазерный диод, излучение которых модулировано передаваемым сигналом.

В случае видеонаблюдения – это видеосигнал, но и в случае цифрового сигнала (например, при управлении поворотным устройством и трансфокатором или передаче данных) логика остается той же.

Итак, при передаче инфракрасный диод модулирован по яркости и пульсирует в соответствии с вариациями сигнала. На принимающем конце линии обычно находится фотодетектор, получающий оптический сигнал и преобразующий его в электрический.

Оптоволоконный кабель считается дорогим, многих пугают трудности при его заделке. Но в настоящее время многое изменилось – технология существенно продвинулась вперед. Оптическая технология всегда славилась своими потенциальными возможностями, но основные продвижения происходят только тогда, когда дешевые базовые устройства – полупроводниковые светодиоды, лазеры и оптоволоконные кабели – запускаются в массовое производство. Сегодня мы являемся свидетелями процесса перехода от наземных медных средств передачи информации к оптоволоконным.

Типы оптоволоконных кабелей

Существует несколько типов оптоволоконных кабелей. Их классификация основана на характере

прохождения световых волн по стекловолокну.

Как уже упоминалось во вступлении, основная идея состоит в использовании эффекта полного отражения, который является следствием различия показателей преломления (п₂> п₁ , где п₂ – показатель преломления внутреннего стекловолокна (сердцевины), а п1 – показатель преломления внешней оболочки).

Типичный пример – это оптоволоконный кабель со ступенчатым профилем (показателя преломления).

Кабель со ступенчатым профилем, а также схема распространения света по такому кабелю, представлены на рис. 10.38. Обратите внимание на деформацию входного импульса, которая вызвана различной длиной траекторий световых лучей, отражающихся от цилиндрической поверхности, разделяющей два стекловолокна с различными показателями преломления. Это называется модовой дисторсией.

Чтобы уравновесить пробегаемые лучами длины путей и улучшить характеристики импульса, было разработано многомодовое стекловолокно. В многомодовом стекловолокне лучи света распространяются с примерно равной скоростью, порождая эффект оптических стоячих волн.

Еще лучшие характеристики имеет одномодовое стекловолокно, почти не дающее модальной дисторсии.

Рис. 10.38. Три типа оптоволоконного кабеля

Последний вариант – самый дорогой, но он позволяет намного увеличить протяженность линии при использовании той же электроники. Для задач видеонаблюдения тип используемого стекловолокна – многомодовый или со ступенчатым профилем – не имеет особого значения.

На рис. 10.38 приведены профили показателей преломления для этих трех типов стекловолокна.

Числовая апертура

Свет может попадать в оптоволоконный кабель под разными углами.

Зная разные показатели преломления воздуха и стекловолокна, применим теорию преломления и закон Снелиуса:

n₀sin ф₀ = n₁sin ф₁(52)

где n₁ – показатель преломления стекловолокна, n₀ – показатель преломления воздуха, равный примерно 1.

sin ф₀ = n₁sin ф₁ (53)

Рис. 10.40. Определение числовой апертуры

Левая половина выражения описывает очень важное свойство стекловолокна, которое называется числовой апертурой.

Числовая апертура характеризует светособирающую способность оптоволоконного кабеля.

На практике числовая апертура позволяет понять, как соединить два оптоволоконных кабеля и при этом сохранить сигнальный контакт. Реальные значения типичного апертурного угла для кабеля со ступенчатым профилем показаны на рис. 10.40.

Чтобы рассчитать числовую апертуру NA (угол ф_о ), не обязательно знать угол ф₁

Далее приведены основные тригонометрические преобразования, позволяющие выразить числовую апертуру только через показатели преломления стекловолокна.

Применяя закон Снелиуса и опираясь на рисунок, получаем:

n₁sin(90°‑ ф₁) = n₂sin(90°‑ ф₂)(54)

Для полного отражения Ф₂ = 0°мы имеем тогда выражение принимает вид:

n₁sin(90°‑ ф₁) = n₁(55)

Так как sin(90°‑ ф₁) = cos ф₁, то мы можем написать:

cos ф₁ = n₂/n₂(56)

sin²ф + cos²ф = 1(57)

и используя уравнение (50), мы можем преобразовать (47) в более приемлемый вид, без синусов и косинусов:

sin²ф₀/n1² + n²₂/n²₁ = 1(58)

Зная основное правило тригонометрии

sin²ф₀ = n²₁ – n²₂(59)

NA = sinф₀ = SQRT(n²₁ – n²₂)(60)

Формула (54) это хорошо известная формула для вычисления числовой апертуры оптоволоконного кабеля по двум известным показателям преломления – внутренней нити и оболочки. SQRT – это корень квадратный.

Очевидно, чем выше это значение, тем больше светособирающий угол кабеля.

Приведем реалистичный пример: n₁ = 1.46 и n ₂ =1.40, что даст NA = 0.41, то есть ф₀ = 24°.

Для волокна с плавным профилем апертура является переменной и зависит от радиуса измеряемого профиля, но она ниже, чем у многомодового волокна со ступенчатым профилем. Для одномодового волокна 9/125 мкм числовая апертура NA = 0.1.

Уровни света в волоконной оптике

Выходная мощность света измеряется в ваттах (как и любая другая мощность), но поскольку в оптоволоконной связи используются очень слабые источники света, то удобнее сравнивать выходную мощность с входной, а в этом случае мы получаем хорошо известное соотношение для децибел:

A_a = 10 lg(P₀/P₁)[ДБ] (61)

Однако, если сравнивать конкретную мощность света с абсолютным значением, например 1 мВт, то мы будем говорить о дБм, то есть:

A_a = 10 lg(P/1 мВт)[дБм](62)

Рассчитывать уровни передачи легче в децибелах.

Отрицательное значение в децибелах при расчете А означает потери, а положительное значение – среднее усиление.

Если А _а равно отрицательному значению дБм, то мощность меньше 1 мВт, а положительное значение соответствует мощности, большей 1 мВт.

Определение децибел при сравнении мощностей задается уравнением (55), но, как указывалось ранее, для напряжения и тока определение выглядит иначе:

B_r =20 lg(U₀/U₁)[ДБ] (63)

Не углубляясь в теорию, отметим, что децибелы для мощности вычисляются с коэффициентом 10 перед логарифмом, а для напряжения (и тока) – с коэффициентом 20.

Потери света при прохождении по волоконному кабелю объясняются следующими факторами:

– Стыковкой с источником

– Сращиванием световодов

– Затуханием в стекловолокне из‑за его неоднородности

– Высокими температурами и т. д.

Проектируя систему видеонаблюдения с оптоволоконным кабелем, важно знать общее затухание, так как мы работаем с очень слабыми сигналами. Лучше работать с наихудшими оценками, чем использовать средние значения – только тогда возможно спроектировать надежную и качественную систему.

Для этого следует помнить, что в большинстве случаев выходная мощность излучения 850‑нм светодиода лежит между 1 дБм и 3 дБм, а 1300‑нм светодиод имеет несколько меньшую мощность – от 0 дБм до 2 дБм (помните, что мощность выражена относительно 1 мВт).

Наибольшие потери возникают при соединении светодиода и волокна.

Потери также зависят от числовой апертуры и от профиля волокна, который может быть ступенчатым или плавным.

Реалистичное значение потерь, вызванных соединением с источником, составляет около 14 дБ (относительно выходной мощности источника).