Повышение надежности передачи информации в ЭВМ с помощью волоконно-оптических линий связи

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) находят все более широкое применение в телевидении, системах связи, устройствах передачи изображений и других системах, но и для обмена информацией между различными устройствами ЭВМ, между отдельными машинами в многомашинных комплексах, вычислительных сетях, иерархических системах обработки информации. ВОЛС займут доминирующее положение в перечисленных системах и устройствах. Это связано с малым поперечным сечением и малой массой волокон, большой широкополосностной, невосприимчивостью к внешним электромагнитным помехам, отсутствием внешних излучений, отсутствием коротких замыканий, более широким температурным диапазоном работы и т. д.

Основу ВОЛС составляет световод или оптическое волокно. Схему прохождения сигнала и структуру световода поясняет рис. 6.13. Луч света, падающий под углом на торец световода, проходит в его сердцевину и отражается под углом R от оболочки. Отражение происходит вследствие разности коэффициентов отражений оболочки и сердцевины После многократного отражения луч света выходит из противоположного конца световода практически неизменным.

В световоде выделяют два типа лучей: меридиональные, проходящие через ось световода (этот тип лучей показан на рис. 6.13), и косые, не пересекающие ось. С помощью простой геометрии можно получить длину пути меридионального луча где L — длина световода. Длина пути и время прохождения луча по световоду — функция угла падения луча. Разница между длинами пути и временем прохождения для различных составляющих луча (мод) приводит к сокращению информационной емкости световода.

Для косого луча, падающего на торец световода под углом, определяемым единичным вектором

где — направляющие косинусы луча, в точке имеются соотношения:

Первое соотношение — условие компланарности падающего и отраженного лучей, а второе — условие равенства углов падения и отражения. При этом и описывают луч, предшествующий /и-отражению на границе сердцевина — оболочка. Условием полного внутреннего отражения является соотношение

В случае рассмотрения луча в плоскости, данное выражение в точке не зависит от М. Это означает, что луч может входить под углом 90° к оси у и все еще быть направляемым с минимальной скоростью. Косые лучи в действительности могут существовать в световоде, отражаясь под очень большими углами. Для световода характерны следующие параметры. Числовая апертура, определяемая соотношением

устанавливает степень эффективности при использовании излучения источника света и особенности применения световода. Угол, при котором происходит полное отражение луча света от торца световода, также определяется числовой апертурой:

В световодах с малой числовой апертурой малая дисперсия импульса, но большие потери из-за микроизгибов. Для использования в линиях дальней связи подходят световоды со значением NA = 0,2 В. В коротких ВОЛС следует использовать световоды с большим значением NA. Показатели преломления сердцевины и оболочки определяют эффективность ввода излучения в световод. Чем больше между ними разница, тем более эффективен световод. Однако неоправданно большая разница между показателями преломления сердцевины и оболочки ведет к увеличению дисперсии (уширению импульса).

Затухание света в световоде обусловлено поглощением и рассеянием в материале сердцевины и потерями на излучение. Степень поглощения света материалом световода определяется его примесями, каждый вид которой обладает определенной полосой поглощения. Так, в волоконных световодах на основе кварцевого стекла основной примесью являются ионы ОН", имеющие максимальные потери на длине волны 950 нм и слабые полосы поглощения на длинах волн 725, 825 и 875 нм. При концентрации ионов ОН~, равной 10"⁶, потери на длинах волн вблизи 950 нм составляют примерно 1 дБ/км.

Уширение импульса в световодах происходит из-за наличия в них межмодовой дисперсии и дисперсии материала. Межмодовая дисперсия— следствие того, что свет, введенный в световод под углом к оси, проходит более длинный путь по сравнению со светом, распространяющимся вдоль оси. Эта разница длин пути приводит к расплыванию выходного импульса. В многомодовых световодах из кварцевого стекла с полимерной оболочкой уширение импульса может быть равно 20 нс/км. Дисперсия материала обусловлена нелинейной зависимостью показателя преломления материала от длины волны света. Уширение импульса за счет дисперсии материала определяется выражением:

где — средняя длина волны передаваемого света; " — ширина спектра источника света; L — длина световода; с — скорость света.

Для световодов типичное значение уширения импульса из-за дисперсии материала при использовании света с длиной волны 820 нм составляет 3—3,5 нс/км Если принять критической длиной световода его длину, где уширение импульса равно длительности исходного импульса (при определенной скорости передачи информации), то при скорости 10 Мбит/с критическая длина световода равна 25 км при использовании в качестве источника света светоизлучающего диода (СИД) и 50 км при использовании лазерных источников света.

Изгибы световода приводят к потерям на излучение, которое сильно возрастают с уменьшением радиуса изгиба. Наименьший допустимый радиус кривизны изгиба ограничен фактической прочностью световодов. Относительная деформация определяется выражением

где — радиус оболочки световода, м; R — радиус изгиба световода, м.

Прочность световода определяется локальным максимальным напряжением

где — приложенное напряжение; — эффективная глубина дефектов;

— эффективный радиус дефекта. Когда локальное напряжение, определяемое в самом слабом месте на длине световода, достигает критического значения, происходит разрушение.

Конструктивно световод состоит из сердцевины, покрытой несколькими слоями защитных материалов. Первичное покрытие составляет тонкая (5—10 мкм) лаковая пленка из ацетата целлюлозы, эпоксидной смолы, силикона, уретана или других аналогичных материалов, защищающих материал сердцевины от воздействия атмосферы и увеличивающих его механическую прочность. Назначение последующих слоев — устранение воздействий на световод поперечных сил и увеличение прочности на разрыв.

В целях устранения влияния усадки покрытий на материал сердцевины изготовляют трубчатый световод, располагаемый внутри, например, полипропиленовой трубки. Группа световодов объединяется конструктивно в оптический кабель, в конструкцию которого кроме световодов включают силовые элементы, демпфирующие слои и специальные наружные покрытия. На рис. 6.14 представлены несколько примеров сечений оптических кабелей. Оптический кабель (рис. 6.14, а) имеет 10 световодов 1 располагающихся на цилиндрическом упрочняющем элементе 2, защищенном покрытием 3. Поверх световодов размещена полимерная демпфирующая прокладка 4, которая помещается в полимерную оболочку 5. Общий диаметр кабеля 7 мм.

В оптическом кабеле (рис. 6.14, б) четыре световода 1 совместно с упрочняющим стальным стержнем образуют субкабель 2. Восемь таких субкабелей с четырьмя коаксиальными фидерами 8 для электропитания, окруженные демпфирующим материалом, размешаются на упрочняющих элементах 4 и 7, защищенных полимерным покрытием 3. Поверх конструкции нанесены демпфирующий материал 5 и защитный материал 6. В оптическом кабеле (рис. 6.14, в) световоды 1 уложены в канавки фигурного пластмассового профиля 2, изготовленного методом экструзии. Канавки следуют по винтовой линии в цилиндрических координатах где Н — шаг скрутки. Они заполняются гелием или очень мягким материалом. Сердцевину кабеля образует упрочняющий элемент 3. В оптическом кабеле (рис. 6.14, г) трубчатые световоды 1 размещаются на защищенном изоляционным материалом упрочняющем элементе 2. Снаружи кабель защищен демпфирующим слоем 3 и защитным материалом 4.

В табл. 6.1 приведены характеристики некоторых выпускаемых зарубежными фирмами оптических кабелей. Отечественной промышленностью выпускается большая номенклатура оптических кабелей, характеризующихся широким спектром параметров: наружный диаметр 4—8 мм, прочность на разрыв 50—250 Н, коэффициент затухания 5—50 дБ/км, погонная масса 10—50 кГ/км, температура эксплуатации от -40 до +70 °С.

Оптический кабель с источником и приемником излучения образуют волоконно-оптическую линию связи (рис. 6.15). В качестве источника излучения используются обычно светодиоды или лазерные диоды с параметрами, приведенными в табл. 6.2. Световоды характеризуются линейной зависимостью выходной оптической мощности от тока подкачки.

У лазерных диодов ярко выраженная пороговая зависимость: после превышения порогового значения (примерно 200 мА) световая мощность быстро растет. Практически для модуляции достаточно примерно 20 мА переменной составляющей. Светодиоды требуют высоких модулирующих токов. Потери световой энергии при вводе в световод зависят от числовой апертуры последнего и для светодиода равны 14—18 дБ, для лазерного диода — 3—8 дБ.

Для уменьшения этих потерь следует использовать источники излучения с малой площадкой излучения, малым телесным углом излучения и большим сроком службы (табл. 6.2). В ВОЛС со скоростью передачи информации ниже 50 Мбит/с следует использовать светодиоды, для более высоких скоростей передачи информации — лазерные диоды.

В качестве приемников излучения (преобразователей света в электрические сигналы) используют два типа фотодиодов: с внутренним лавинным усилением — лавинный фотодиод (ЛФД) — и без него. Первый обладает большей чувствительностью и более высоким уровнем выходного сигнала по сравнению со вторым. Однако его характеристика имеет длинный спад, приводящий к межсимвольным искажениям, и для его работы требуется высоковольтный источник от 100 до 500 В (второй недостаток не является существенным ввиду незначительного потребления тока). Лавинный фотодиод совместно с малошумящим усилителем, преобразователем постоянного тока, цепью температурной компенсации и другими элементами образуют модуль приемника излучения.

При передаче информации на большое расстояние во избежание потерь в ВОЛС включают регенерирующие устройства, обеспечивающие промежуточное усиление ослабленных сигналов и передачу усиленных сигналов в последующий участок ВОЛС. Одной из проблем применения ВОЛС является обеспечение надежных разъемных соединений. Радиальные смещения, зазоры и перекосы в разъемных соединениях световодов, а также в стыках световода с источником и приемником излучения приводят к существенным потерям сигналов. Так, при вводе излучения в световод удаление торца от поверхности светодиода на 50 мкм приводит к потерям П = 4 дБ, в то время как радиальное смещение на 50 мкм может привести к потерям П > 8 дБ. На рис. 6.16 приведены зависимости потерь в стыке двух световодов для радиального и осевого смещения (рис. 6.16, а) и перекоса (рис. 6.16, б).

Потери из-за осевого и радиального смещения или перекоса уменьшаются применением иммерсионных жидкостей (клея) между торцами световодов, которые удерживаются как можно ближе друг к другу. Потери из-за рассогласования торцов световодов уменьшают использованием световодов большого диаметра, а также применением прецизионных котировочных и соединительных устройств.

При проектировании ВОЛ С основными исходными данными являются: необходимая скорость передачи информации, отношение сигнал/шум (или вероятность ошибки при передаче информации), расстояние между приемником и передатчиком информации и вид информации (цифровой или аналоговый). Кроме того, необходимо учитывать также физический и химический состав окружающей среды, стоимость, надежность, возможность модернизации, размеры, массу; учет совокупности всех перечисленных факторов делает процедуру расчета ВОЛС довольно сложной.

На начальном этапе проектирования определяется ширина пропускания оптического кабеля в совокупности с источником сигнала, обеспечивающая требуемую скорость передачи информации при известном расстоянии между оконечными устройствами. Так как ширина полосы сигнала зависит от типа кабеля и источника сигнала, а также от расстояния, то не всегда доступные для применения кабели и лазеры могут обеспечить требуемую скорость передачи информации без использования большого числа ретрансляторов, повышающих стоимость всей системы. Оптимизация в этом случае может быть проведена за счет уменьшения расстояния или снижением тре­бований по скорости передачи информации.

Выбор оптического кабеля может быть проведен по алгоритму, пока­занному на рис. 6.17. Вводятся в ЭВМ параметры всех доступных потребителю оптических кабелей (блок 7). Затем выбирается один из них (блок 2) и проводится расчет полных потерь в системе (блоки 3, 4), начиная с потерь при вводе излучения источника и кончая потерями при соединении с оконечным устройством.

Учитываются потери в соединениях световодов друг с другом, в разъемах (блок 5). В случае использования антиотражающих покрытий или им­мерсионных материалов и согласования соответствующих площадей источ­ников излучения, фотодиодов и волоконных световодов потери можно свести к миниму. Если уровень потерь превышает допустимый, ведется расчет следующего типа кабеля.

Расчет дисперсионных ограничений (блок 6) необходимо проводить с целью установления совместимости полосы, которую пропускает кабель с требуемой скоростью передачи информации. Если по уровню потерь и дисперсии ни один из кабелей не удовлетворяет требованиям, необходимо рассмотреть возможность ослабления системных требований и ограничений (блок 7).

Отвечающие требованиям по уровню потерь и дисперсии (блок 8) один или несколько типов кабелей рассчитываются по прочностным характери­стикам (блок 10). Если ни один из отобранных в блоках 2—10 кабелей не удовлетворяет требованиям по прочности, то предусматриваются дополни­тельные меры защиты кабеля или выдается задание на разработку нового кабеля. Итогом выбора является тип кабеля с характеристиками, удовлетво­ряющими требованиям (блок 12).

Расчет приемника ВОЛС проводится после установления общих сис­темных требований и ограничений по алгоритму (рис. 6.18). Блоком 2 решается вопрос об использовании аналоговой или цифровой модуляции источника излучения. При использовании цифровой модуляции решается вопрос, использовать ли импульсно-кодовый или фазоимпульсный способ кодирования (блок 3). На следующем этапе (блок 4) проводят расчет шума приемника в полосе частот сигнала, который определяется требуемой шириной полосы информационных сигналов, шумом всех компонентов приемника и возможным применением фильтров для подавления шумов за пределами полосы передаваемых сигналов. После этого оценивается отношение сигнал/шум на входе системы.

Далее проводится выбор конкретного типа фотодиода из имеющихся в наличии (блок 5). При этом подразумевается, что длина волны источника соответствует чувствительности фотодиода. После выбора фотодиода определяется тип предусилителя (блок б): резистивный, с нагрузкой, интегрирующий или с изменяющейся обратной связью. При малых скоростях пере­дачи сигналов чаще используются интегрирующие усилители на полевых транзисторах. При высоких скоростях передачи (< 100 Мбит/с) наиболее часто используют интегрирующие предусилители на биполярных транзисторах.

После выбора типа предусилителя расчитывают минимальный уровень детектируемого сигнала, который определяется минимальной величиной принимаемой приемником мощности оптического сигнала, генерирующей ток, равный шумовому току в полосе частот сигнала (блок 7). Затем определяют мощность сигнала, необходимой для достижения заданной величины отношения сигнал/шум.

Блоком 10 рассматривается динамический диапазон приемника с учетом изменения температуры окружающей среды и изменения параметров линии во времени. Если ожидаемые изменения температуры оказывают слишком сильное влияние на приемник, то следует использовать схему температурной компенсации (блок 11).

При расчете источника сигнала, проводимом по алгоритму (рис. 6.19), следует учитывать суммарное значение оптической мощности, длину волны излучения и спектральную ширину, скорость и линейность отклика (блоки 1 и 3) и в случае необходимости — использование схемы температурной ком­пенсации (блок 12). Величина длины волны источника (блок 2) во многом зависит от спектра затухания выбранного типа световода.

Ширина спектра определяется полосой пропускания световода. Тре­буемая величина оптической мощности определяется минимально допустимым уровнем сигнала на входе приемника после учета всех потерь на прохождение сигнала, в том числе в стыках разъемов.

Длина волны источника для стеклянных световодов обычно выбирается в пределах 840—900 нм или в области 1060 нм, где затухание в световодах минимально. В случае применения полимерных световодов можно использовать более широкий набор длин волн, однако, затухание в таких световодах сравнительно велико. Следующий блок 7 — выбор аналоговой или цифровой модуляции. При использовании аналоговой модуляции мощность источника зависит от уровня искажения сигналов. При цифровой модуляции необходимо учитывать быстродействие источника и выбор способа кодирования (блок 8). После выбора схемы модуляции подсчитываются потери в соединении (блок 10) и определяется, достаточна ли величина оптической мощности (блок 11).

Затем рассчитывают величину передаваемого отношения сигнал/шум, требуемую потребляемую мощность и влияние температуры на передаваемый сигнал (блок 12). Если влияние температуры значительно, вводят меры по температурной компенсации изменений тока питания источника с помощью соответствующей схемы обратной связи или точного регулятора тока.