Основные элементы оптического волокна

Ядро. Ядро – светопередающая часть волокна, изготавливаемая либо из стекла, либо из пластика. Чем больше диаметр ядра, тем большее количество света может быть передано по волокну.
Демпфер. Назначение демпфера - обеспечение более низкого коэффициента преломления на границе с ядром для переотражения света в ядро таким образом, чтобы световые волны распространялись по волокну.
Оболочка. Оболочки обычно бывают многослойными, изготавливаются из пластика для обеспечения прочности волокна, поглощения ударов и обеспечения дополнительной защиты волокна от воздействия окружающей среды. Такие буферные оболочки имеют толщину от 250 до 900 мкм.
Размер волокна в общем случае определяется по внешним диаметрам его ядра, демпфера и оболочки. Например, 50/125/250 - характеристика волокна с диаметром ядра 50 мкм, диаметром демпфера 125 мкм и диаметром оболочки 250 мкм. Оболочка всегда удаляется при соединении или терминировании волокон.
Тип волокна идентифицируется по типу путей, или так называемых "мод", проходимых светом в ядре волокна. Существует два основных типа волокна - многомодовое и одномодовое. Ядра многомодовых волокон могут обладать ступенчатым или градиентным показателями преломления. Многомодовое волокно со ступенчатым показателем преломления получило свое название от резкой, ступенчатой, разницы между показателями преломления ядра и демпфера.
В более распространенном многомодовом волокне с градиентным показателем преломления лучи света также распространяются в волокне по многочисленным путям. В отличие от волокна со ступенчатым показателем преломления, ядро с градиентным показателем содержит многочисленные слои стекла, каждый из которых обладает более низким показателем преломления по сравнению с предыдущим слоем по мере удаления от оси волокна. Результатом формирования такого градиента показателя преломления является то, что лучи света ускоряются во внешних слоях и их время распространения в волокне сравнивается с временем распространения лучей, проходящих по более коротким путям ближе коси волокна.
Таким образом, волокно с градиентным показателем преломления выравнивает время распространения различных мод так, что данные по волокну могут быть переданы на более дальние расстояния и на более высоких скоростях до того момента, когда импульсы света начнут перекрываться и становиться неразличимыми на стороне приемника.
Волокна с градиентным показателем представлены на рынке с диаметрами ядра 50, 62,5 и 100 мкм.
Одномодовое волокно, в отличие от многомодового, позволяет распространяться только одному лучу или моде света в ядре. Это устраняет любое искажение, вызываемое перекрытием импульсов. Диаметр ядра одномодового волокна чрезвычайно мал - приблизительно 5 -10 мкм. Одномодовое волокно обладает более высокой пропускной способностью, чем любой из многомодовых типов. Например, подводные морские телекоммуникационные кабели могут нести 60000 речевых каналов по одной паре одномодовых волокон.
3.7 Затухание
Собственные потери оптического волокна. Свет является электромагнитной волной. Скорость света уменьшается при распространении по прозрачным материалам по сравнению со скоростью распространения света в вакууме. Волны инфракрасного диапазона также распространяются различно по оптическому волокну. Поэтому затухание, или потери оптической мощности, должны измеряться на специфических длинах волн для каждого типа волокна. Длины волн измеряются в нанометрах (нм).
Потери оптической мощности на различных длинах волн происходят в оптическом волокне вследствие поглощения, отражения и рассеяния. Эти потери зависят от пройденного расстояния и конкретного вида волокна, его размера, рабочей частоты и показателя преломления.
Величина потерь оптической мощности вследствие поглощения и рассеяния света на определенной длине волны выражается в децибелах оптической мощности на километр (дБ/км).
Волокна оптимизированы для работы на определенных длинах волн. Например, можно достичь потерь в 1 дБ/км для многомодового волокна 50/125 мкм на длине волны 1300 нм, и менее 3 дБ/км (50%-е потери мощности) для того же волокна на 850 нм. Эти два волновых региона, - 850 и 1300 нм, являются областями наиболее часто определяемыми для рабочих характеристик оптических волокон и используются современными коммерческими приемниками и передатчиками. Кроме того, одномодовые волокна оптимизированы для работы в регионе 1550 нм.
В коаксильном кабеле, чем больше частота, тем больше уменьшается амплитуда сигнала с увеличением расстояния, и это явление называется затуханием. Частота для оптического волокна постоянна до тех пор, пока она не достигнет предела диапазона рабочих частот. Таким образом, оптические потери пропорциональны только расстоянию. Такое затухание в волокне вызвано поглощением и рассеиванием световых волн на неоднородностях, вызванных химическими загрязнениями, и на молекулярной структуре материала волокна. Эти микрообъекты в волокне поглощают или рассеивают оптическое излучение, оно не попадает в ядро и теряется. Затухание в волокне специфицируется производителем для определенных длин волн: например, З дБ/км для длины волны 850 нм. Это делается потому, что потери волокна изменяются с изменением длины волны.
Потери на микроизгибах. Без специальной защиты оптическое волокно подвержено потерям оптической мощности вследствие микроизгибов. Микроизгибы - это микроскопические искажения волокна, вызываемые внешними силами, которые приводят к потере оптической мощности из ядра. Для предотвращения возникновения микроизгибов применяются различные типы защиты волокна. Волокна со ступенчатым показателем относительно более устойчивы к потерям на микроизгибах, чем волокна с градиентным показателем.
Полоса пропускания (ширина спектра) - это мера способности волокна передавать определенные объемы информации в единицу времени. Чем шире полоса, тем выше информационная емкость волокна. Полоса выражается в МГц-км. Например, по волокну с полосой 200 МГц-км можно передавать данные с частотой 200 МГц на расстояния до 1 км или с частотой 100 МГц на расстояния до 2 км. Благодаря сравнительно большой полосе пропускания, волокна могут передавать значительные объемы информации. Одно волокно с градиентным показателем преломления может с легкостью передавать 500 миллионов бит информации в секунду. Тем не менее, для всех типов волокон существуют ограничения ширины полосы, зависящие от свойств волокна и типа используемого источника оптической мощности.
Для точного воспроизведения передаваемых по волокну данных световые импульсы должны распространяться раздельно друг от друга, имея четко различимую форму и межимпульсные промежутки. Однако лучи, несущие каждый из импульсов, проходят разными путями внутри многомодового волокна. Для волокон со ступенчатым показателем преломления лучи, проходя зигзагообразно по волокну под разными углами, достигают приемника в разное время.
Это различие во времени прибытия импульсов в точку приема приводит к тому, что импульсы на выходе линии искажаются и накладываются друг на друга. Это так называемое модальное рассеивание, или модальная дисперсия, или уширение светового импульса ограничивает возможную для передачи частоту, так как детектор не может определить, где заканчивается один импульс и начинается следующий. Разница во временах прохождения самой быстрой и самой медленной мод света, входящих в волокно в одно и то же время и проходящих 1 км, может быть всего лишь 1 -3 нс, однако такая модальная дисперсия влечет за собой ограничения по скорости в системах, работающих на больших расстояниях. Удваивание расстояния удваивает эффект дисперсии.
Модальная дисперсия часто выражается в наносекундах на километр, например, 30 нс/км. Также она может быть выражена и в частотной форме, например 200 МГц-км. Это означает, что волокно или система будут эффективно работать в пределах частот до 200 МГц, прежде чем рассеивание начнет сказываться на пропускной способности на расстояниях более одного километра. Эта же система сможет передавать сигнал с частотой 100 МГц на расстояние в два километра.
Дисперсия делает многомодовое волокно со ступенчатым показателем преломления наименее эффективным по ширине полосы среди всех трех типов волокна. Поэтому оно используется на более коротких участках и низких частотах передачи. Типичным значением ширины полосы ступенчатого волокна является 20 МГц-км.
Размеры ядра одномодового волокна малы - от 8 до 10 мкм, что позволяет проходить по волокну только одному лучу света. Так как модальная дисперсия в данном случае полностью отсутствует, полоса пропускания у такого волокна гораздо больше, чем у многомодового, что позволяет достигать рабочих частот свыше нескольких сотен гигагерц на километр (ГГц-км).
Оптические волокна обладают еще одной разновидностью дисперсии, возникающей вследствие того, что разные длины волн распространяются в среде с разной скоростью. Такую "спектральную дисперсию" можно наблюдать, когда белый свет распадается на семь цветов радуги, проходя через стеклянную призму. Волны, представляющие разные цвета, движутся в среде с разной скоростью, что приводит к различию в траекториях распространения лучей. Если бы оптический источник волоконной системы излучал свет одной частоты, спектральная дисперсия или материальная дисперсия (или хроматическая дисперсия, как ее еще часто называют) была бы устранена. В действительности, абсолютно монохроматических источников света не существует. Лазеры обладают определенным, хотя и очень небольшим, уширением спектра излучаемого света. У источников света на основе LED (полупроводниковые светодиоды) спектральный диапазон в 20 раз шире, чем у лазера, и спектральная дисперсия, в свою, очередь намного выше. Дисперсия в стеклянном волокне минимальна в регионе около 1300 нм, позволяя одномодовым волокнам иметь значительную полосу на данной длине волны.
Одномодовое волокно обычно используется с лазерными источниками благодаря своей высокой спектральной чистоте. Для обеспечения эффективного функционирования таких систем требуются прецизионные коннекторы и муфты. Благодаря своим низким потерям и высоким пропускным характеристикам, одномодовые волокна, как правило, являются наилучшим и, как правило, единственным выбором для монтажа протяженных высокоскоростных линий, таких как междугородние телекоммуникационные системы.
Методы доступа
Обработку кадров, передаваемых по сети, выполняют сетевой адаптер, устанавливаемый в слот расширения станции, и соответствующий ему драйвер.
Сетевой адаптер (СА) и драйвер СА реализуют следующие функции:
· поддерживают метод доступа в сети,
· формируют и анализируют кадры, передаваемые по сети.
В зависимости от поддерживаемого метода доступа и типа кадра сетевые адаптеры можно разделить на несколько групп: Ethernet, Token Ring, ARCNet, FDDI и др. Сети, где устанавливаются перечисленные адаптеры, имеют те же названия: сети Ethernet, сети Token Ring и т. д. Следует отметить, что рассматриваемые СА поддерживают разные методы доступа и типы кадров, поэтому они не совместимы между собой. Следовательно, на станциях, подключаемых к одному сегменту сети, необходимо устанавливать сетевые адаптеры одного типа.
Ниже рассматриваются методы доступа и кадры для сетей Ethernet, Token Ring, ARCNet и FDDI.

3.8 Метод доступа и кадры для сетей Ethernet
На логическом уровне в Ethernet применяется топология шина:
· все устройства, подключённые к сегменту сети, равноправны, т. е. любая станция может начать передачу в любой момент времени, если передающая среда свободна,
· кадр, передаваемый одной станцией, одновременно анализируется всеми остальными станциями сегмента.
Стандарты Ethernet поддерживают метод доступа CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) и обеспечивают скорость передачи по шине 10 Мбит/с и 100 Мбит/с. По-русски этот метод доступа называется "Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий". Ниже приводится краткое описание этого метода доступа.
Передача данных происходит следующим образом. Станция проверяет состояние среды передачи данных (шины). Если среда занята, то станция ожидает освобождения среды. Если среда свободна, то станция начинает передавать кадр данных, одновременно контролируя состояние среды (несущую частоту f1). В том случае, когда за время передачи кадра станция не обнаружила состояние коллизии в сети (т. е. частота f1 не изменилась), считается, что данные переданы успешно.
Если при передаче кадра произошла коллизия (т. е. несущая частота изменилась на величины f2(f1), то станция прекращает передавать данные и выдаёт специальную последовательность из 32 битов, которая позволяет всем станциям определить, что произошла коллизия. Затем станция переходит в состояние ожидания на небольшой случайный промежуток времени, по окончании которого она, проверив среду, пытается ещё раз передать по сети свой кадр. Если за 16 попыток станции не удается передать свои данные, то считается, что среда недоступна.
Следует отметить, что коллизия (конфликт) может произойти в том случае, если среду проверяют несколько станций одновременно. Выяснив, что среда свободна, они пытаются передать свои кадры. При одновременной передаче нескольких кадров несущая частота среды изменяется до величины f2, отличной от f1 (передача одного кадра). Коллизию обнаруживают все станции, которые пытаются одновременно передать свои данные. Каждая из этих станций выполняет действия, перечисленные выше.
Существует четыре основные разновидности кадров Ethernet (рис. 1). NetWare все их поддерживает.
Ethernet_II Ethernet_802.3 Ethernet_802.2 Ethernet_SNAP
P

P

P 7 P 7
SFD

SFD

SFD 1 SFD 1
DA

DA

DA 6 DA 6
SA

SA

SA 6 SA 6
Type

Length

Length 2 Length 2
Пакет
DSAP 1 DSAP 1
SSAP 1 SSAP 1
46-
46-
Control 1 Control 1


Пакет OUI 3
43 - ID 2 1497 Пакет 38-
FCS

FCS

FCS 4 FCS 4
Рисунок 3.1. Типы кадров для сетей Ethernet
Цифры на рисунке обозначают длины полей кадров (в байтах). Здесь введены следующие обозначения:
- P - преамбула. Представляет собой семибайтовую последовательность единиц и нулей (101010....). Это поле предназначено для синхронизации приёмной и передающей станций.
- SFD (Start Frame Delimiter) - признак начала кадра (10101011),
- DA (Destination Address), SA (Source Address) - адреса получателя и отправителя. Они представляют собой физические адреса сетевых адаптеров Ethernet и являются уникальными. Первые три байта адреса назначаются каждому производителю Ethernet-адаптеров (для адаптеров фирмы Intel это будет значение 00AA00h, а для адаптеров 3Com - 0020afh), последние три байта определяются самим производителем. Для широковещательных кадров поле DA устанавливается в FFFFFFFFh.
- FCS (Frame Check Sequence) - контрольная сумма всех полей кадра (за исключением полей преамбулы, признака начала кадра и самой контрольной суммы). Если длина пакета передаваемых данных меньше минимальной величины, то адаптер Ethernet автоматически дополняет его до 46 байтов. Этот процесс называется выравниванием (padding). Жёсткие ограничения на минимальную длину пакета были введены для обеспечения нормальной работы механизма обнаружения коллизий.
Теперь рассмотрим специфичные поля каждого типа кадра.
Ethernet_II
Этот тип кадра был разработан первым для сетей Ethernet. Дополнительно содержит следующее поле:
Type - определяет тип протокола сетевого уровня, пакет которого переносится этим кадром (8137h - для протокола IPX, 0800h - для протокола IP, 809Bh - для протокола AppleTalk и т. д.). Все идентификаторы имеют значения старше 05bch.
Ethernet_802.3
Этот тип кадра был создан фирмой Novell и является базовым для сетей с ОС NetWare 3.11. Дополнительно содержит следующее поле:
Length - длина передаваемого пакета.
Поскольку в этом кадре отсутствует поле с типом протокола, то он может быть использован только для переноса IPX. Заголовок пакета IPX (рисунок 2.14) следует непосредственно за полем длины, поэтому первое поле пакета (поле Checksum) содержит значение FFFFh.
Ethernet_802.2
Этот тип кадра разработан подкомитетом IEEE 802.3 в результате стандартизации сетей Ethernet. Этот кадр содержит следующие дополнительные поля:
- Length - длина передаваемого пакета,
- DSAP (Destination Service Access Point) - тип протокола сетевого уровня станции-получателя (E0h - для IPX),
- SSAP (Source Service Access Point) - тип протокола сетевого уровня станции-отправителя,
- Control - номер сегмента; используется при разбиении длинных IP-пакетов на более мелкие сегменты; для пакетов IPX это поле всегда содержит значение 03h (обмен ненумерованными датаграммами).
Ethernet_SNAP
Этот кадр является модернизацией кадра Ethernet_802.2 и содержит ещё два поля: OUI (Organizational Unit Identifier) и ID, которые определяют тип протокола верхнего уровня SNAP Protocol ID.
Каждая станция начинает принимать кадр с преамбулы Р. Затем сравнивает значение адреса DA со своим адресом. Если адреса одинаковы, или пришёл широковещательный кадр, или задана специальная программа обработки, то кадр копируется в буфер станции. Если нет, то кадр игнорируется.
Ниже приведён алгоритм идентификации типа кадра сетевым адаптером:
· если за полем SA следует значение старше 05dch, то это кадр Ethernet_II,
· если за полем Length следует идентификатор FFFFh, то это кадр Ethernet_802.3,
· если за полем Length следует идентификатор AAh, то это кадр Ethernet_SNAP, иначе - это кадр Ethernet_802.2.