Оптоволоконные проводники

Оптоволоконные проводники

Выполнил: Глезман Антон Владимирович 11В

Руководитель: Каменских Елена Рафхатовна

Актуальность: На современном этапе развития общества в условиях научно-технического прогресса непрерывно возрастает объем информации. Как показывают теоретические и экспериментальные исследования, продукция отрасли связи, выражающаяся в объеме передаваемой информации, возрастает пропорционально квадрату прироста валового продукта народного хозяйства. Это определяется необходимостью расширения взаимосвязи между различными звеньями народного хозяйства, а также увеличением объема информации в технической, научной, политической и культурной жизни общества. Повышаются требования к скорости и качеству передачи разнообразной информации, увеличиваются расстояния между абонентами.

В настоящее время для передачи информации в основном используются металлические проводники. Но они не всегда могут обеспечить необходимую скорость и качество при передаче данных на большие расстояния. На смену металлическим проводникам приходят оптоволоконные.

Волоконно-оптические линии связи представляют собой системы для передачи световых сигналов микроволнового диапазона волн от 0,8 до 1,6 мкм по оптическим кабелям. Этот вид линий связи рассматривается как наиболее перспективный. Достоинствами волоконно-оптических линий связи являются низкие потери, большая пропускная способность, малые масса и габаритные размеры, экономия цветных металлов, высокая степень защищенности от внешних и взаимных помех.

Цель: Изучение оптоволоконных проводников и раскрытие области их применения.

Задачи:1) Изучение свойств волоконной оптики

2) Сравнительный анализ различных типов оптических проводников

3) Выделить преимущества волоконной оптики и раскрыть области её применения

Введение

История вопроса

Разумеется, нет ничего нового в использовании частот оптического диапазона для передачи информации. Визуальные методы связи широко используются не только человеком, но и в животном мире. Человек применял оптические сигналы для передачи информации на большие расстояния еще во времена первобытной цивилизации. Днем он использовал для этого, например, дымовые сигналы или отраженный солнечный свет, а ночью сигнальные огни. В подтверждение этого можно привести два примера из истории Древней Греции.

В пьесе Эсхила «Агамемнон», написанной в V веке до н.э. и описывающей события из греческой мифологии, происходившее за тысячелетие до ее написания, приведены объяснения Клитемнестры того, как она узнала предыдущей ночью о падении Трои:

«Гефест, пославшей с Иды вестовой огонь. Огонь огню, костер костру известие передавал».

Затем она дает графическое описание девяти символов, использованных для передачи новостей из Средней Азии в Аргос с помощью сигнальных огней.

Немного позже Геродот опишет, как в 480 г. до н.э. персидский полководец Мордониус, размышлял об отправлении теми же средствами аналогичного послания о взятии Афин своему императору Кирксу. Однако его мечта осталась неосуществленной.

В каждом из приведенных примеров информация передавалась с помощью заранее обусловленного сигнала.

Хотя в древние времена были и более сложные методы сигнализации, однако на протяжении столетий вплоть до изобретения флажковой сигнализации в конце XVIII столетия, по-видимому использовались только сигнальные огни. Со временем они были заменены машинным на суше и флажковой сигнализацией и проблесковыми сигнальными лампами на море. Последние, в свою очередь, были заменены телефоном и телеграфной радиосвязью. К этому времени произошли существенные изменения в форме (характере) передаваемой информации. Все ранние системы передачи информации были такими, которые теперь мы назвали бы цифровыми системами, в то время как телефон и радио позволили передавать аналоговую информацию в аналоговом виде, т.е. в виде электрического колебания, непрерывно изменяющегося во времени.

Новизна и преимущество современных оптических систем связи заключается в том, что оптический сигнал обычно распространяется направленно по световодной системе и обеспечивает высокую информационную емкость канала связи.

Можно сказать, что современная эра оптической связи началась с изобретения лазера в 1958 г. и последовавшем вскоре созданием первых лазеров в 1961 г. По сравнению с излучением обычных источников оптического диапазона лазерное излучение обладает высокой монохроматичностью и когерентностью и имеет очень большую интенсивность. Лазерное излучение в самом деле очень похоже на излучение обычных радиопередатчиков СВЧ диапазона, поэтому было совершенно естественно использовать его в качестве несущего колебания в системах связи. На первом этапе основной причиной интереса к лазерному излучению была возможность получения исключительно широкой полосы пропускания при условии осуществления его модуляции в полосе частот, составляющей всего несколько процентов от основной частоты излучения лазера. В самом деле лазерная система связи на гелий-неоновом лазере имеет полосу пропускания 470 ГГц (1% от основной частоты), в которой можно разместить одновременно около миллиона телевизионных каналов.

В 60-е годы было предложено много технических решений по осуществлению различных видов модуляции лазерных излучателей (частотный, фазовый, амплитудный, по интенсивности и полярности, частотно-импульсный), а также был создан ряд лазерных систем связи, использующих распространение света в свободном пространстве.

В это же время широко проводились эксперименты по созданию направляющих систем связи, в которых пучок вводился в канал передачи с помощью линз, располагаемых друг от друга на расстоянии 10 или 100 метров. Благодаря работам К.С. Као с сотрудниками из Standard Telecommunications Laboratories в Харлоу (Англия) появился новый подход к созданию направляющих лазерных систем связи. Они предложили для передачи светового сигнала использовать длинные оптически волокна, подобные тем, которые уже использовались в эндоскопии и других областях. Можно утверждать, что статья Као и Хокэма, опубликованная в 1966 году, заложила основу теории волоконно-оптической связи.

Основной причиной, сдерживающей практическую реализацию этой идеи, было большое затухание сигнала в оптическом волокне. Если в ясный день ослабление оптического сигнала в атмосфере составляет всего несколько дБ на километр, то имевшиеся в то время лучшие стекла обладали минимальными потерями в видимой области спектра (порядка 1000 дБ/км). Главный тезис Као и Хокэма сводился к тому, что, если бы удалось уменьшить затухание в стекле в видимой или ближней инфракрасной области спектра до 20 дБ/км, то стало бы возможным создание практических волоконно-оптических систем связи. При таком уровне затухания в волокне мощность передаваемого сигнала уменьшилась бы 10⁶ раз при прохождении расстояния 3 км. Производители стекла во главе с фирмой Corning (США) нашли пути удаления примесей из материала волокна и достигли этого требуемого уровня потерь в 1970 году, а к 1975 г. уменьшили их до 20 дБ/км. Японские исследователи опубликовали результаты по получению рекордно малых потерь в волокне, а именно 0,5 дБ/км в 1976 г. и 0,2 дБ/км в 1979 г. Если потерь 0,2 дБ/км могли быть обеспечены на большой длине волокна, то мощность передаваемого сигнал уменьшилась бы лишь в 2 раза после прохождения им расстояния 15 км. Следует, однако, подчеркнуть, что приведенные рекордно малые потери были получены в лабораторных условиях на более длинных волнах (1,55 мкм) и были достигнуты главным образом благодаря удалению из волокна ионов гидроксила.

К 1980 г. многие фирмы в ряде стран уже выпускали волокно с потерями менее 10 дБ/км и были созданы надежные полупроводниковые источники оптического излучения (на GaAs) и фотодетекторы (на Si). Во всех странах, имеющих развитую индустрию связи, стали проводится всесторонние испытания волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), включаемых в обычные телефонные сети.

Используемые в ВОЛС полупроводниковые источники света имеют неизменно широкую полосу излучения, составляющую около 30 нм у светодиодов (СД) и около 3 нм у полупроводниковых лазеров. Это означает, что по сравнению с современной сложной системой радиосвязи оптические системы связи первого поколения оказываются сравнительно простыми и, по существу, состоят только из включаемого и выключаемого источника широкополосного «шума». Некоторые самые ранние системы телеграфной радиосвязи использовали этот же принцип до появления перестраиваемых избирательных систем, позволивших использовать узкополосные несущие колебания. Теоретически исключительно широкая полоса пропускания оптических систем связи оказалась нереалезуемой на практике, однако в результате проведенных исследований все же была создана простая и дешевая оптическая система связи.

Краткий обзор развития линий связи

Линии связи возникли одновременно с появлением электрического телеграфа. Первые линии связи были кабельными. Однако вследствие несовершенства конструкции кабелей подземные кабельные линии связи вскоре уступили место воздушным. Первая воздушная линия большой протяженности была построена в 1854 г. между Петербургом и Варшавой. В начале 70-х годов прошлого столетия была построена воздушная телеграфная линия от Петербурга до Владивостока длиной около 10 тыс. км. В 1939 г. была пущена в эксплуатацию величайшая в мире по протяженности высокочастотная телефонная магистраль Москва--Хабаровск длиной 8300 км.

Создание первых кабельных линий связано с именем русского ученого П. Л. Шиллинга. Еще в 1812 г. Шиллинг в Петербурге демонстрировал взрывы морских мин, использовав для этой цели созданный им изолированный проводник.

В 1851 г. одновременно с постройкой железной дороги между Москвой и Петербургом был проложен телеграфный кабель, изолированный гуттаперчей. Первые подводные кабели были проложены в 1852 г. через Северную Двину и в 1879 г. через Каспийское море между Баку и Красноводском. В 1866 г. вступила в строй кабельная трансатлантическая магистраль телеграфной связи между Францией и США,

В 1882--1884 гг. в Москве, Петрограде, Риге, Одессе были построены первые в России городские телефонные сети. В 90-х годах прошлого столетия на городских телефонных сетях Москвы и Петрограда были подвешены первые кабели, насчитывающие до 54 жил. В 1901 г. началась постройка подземной городской телефонной сети.

Первые конструкции кабелей связи, относящиеся к началу XX века, позволили осуществлять телефонную передачу на небольшие расстояния. Это были так называемые городские телефонные кабели с воздушно-бумажной изоляцией жил и парной их скруткой. В 1900--1902 гг. была сделана успешная попытка повысить дальность передачи методами искусственного увеличения индуктивности кабелей путем включения в цепь катушек индуктивности (предложение Пупина), а также применения токопроводящих жил с ферромагнитной обмоткой (предложение Крарупа). Такие способы на том этапе позволили увеличить дальность телеграфной и телефонной связи в несколько раз.

Важным этапом в развитии техники связи явилось изобретение, а начиная с 1912--1913 гг. освоение производства электронных ламп. В 1917 г. В. И. Коваленковым был разработан и испытан на линии телефонный усилитель на электронных лампах. В 1923 г. была осуществлена телефонная связь с усилителями на линии Харьков--Москва--Петроград.

В 30-х годах началось развитие многоканальных систем передачи. В последующем стремление расширить спектр передаваемых частот и увеличить пропускную способность линий привело к созданию новых типов кабелей, так называемых коаксиальных. Но массовое изготовление их относится лишь к 1935 г., к моменту появления новых высококачественных диэлектриков типа эскапона, высокочастотной керамики, полистирола, стирофлекса и т. д. Эти кабели допускают передачу энергии при частоте токов до нескольких миллионов герц и позволяют производить по ним передачу телевизионных программ на большие расстояния. Первая коаксиальная линия на 240 каналов ВЧ телефонирования была проложена в 1936 г. По первым трансатлантическим подводным кабелям, проложенным в 1856 г., организовывали лишь телеграфную связь, и только через 100 лет, в 1956 г., была сооружена подводная коаксиальная магистраль между Европой и Америкой для многоканальной телефонной связи.

В 1965--1967 гг. появились опытные волноводные линии связи для передачи широкополосной информации, а также криогенные сверхпроводящие кабельные линии с весьма малым затуханием. С 1970 г. активно развернулись работы по созданию световодов и оптических кабелей, использующих видимое и инфракрасное излучения оптического диапазона волн.

Создание волоконного световода и получение непрерывной генерации полупроводникового лазера сыграли решающую роль в быстром развитии волоконно-оптической связи. К началу 80-х годов были разработаны и испытаны в реальных условиях волоконно-оптические системы связи. Основные сферы применения таких систем -- телефонная сеть, кабельное телевидение, внутриобъектовая связь, вычислительная техника, система контроля и управления технологическими процессами и т. д.

В России и других странах проложены городские и междугородные волоконно-оптические линии связи. Им отводится ведущее место в научно-техническом прогрессе отрасли связи.

Линии связи и основные свойства ВОЛС

На современном этапе развития общества в условиях научно-технического прогресса непрерывно возрастает объем информации. Как показывают теоретические и экспериментальные (статистические) исследования, продукция отрасли связи, выражающаяся в объеме передаваемой информации, возрастает пропорционально квадрату прироста валового продукта народного хозяйства. Это определяется необходимостью расширения взаимосвязи между различными звеньями народного хозяйства, а также увеличением объема информации в технической, научной, политической и культурной жизни общества. Повышаются требования к скорости и качеству передачи разнообразной информации, увеличиваются расстояния между абонентами. Связь необходима для оперативного управления экономикой и работы государственных органов, для повышения обороноспособности страны и удовлетворения культурно-бытовых потребностей населения.В эпоху научно-технической революции связь стала составным звеном производственного процесса. Она используется для управления технологическими процессами, электронно-вычислительными машинами, роботами, промышленными предприятиями т. д. Непременным и одним из наиболее сложных и дорогостоящих элементов связи являются линии связи (ЛС), по которым передаются информационные электромагнитные сигналы от одного абонента (станции, передатчика и т.д.) к другому (станции, приемнику и т. д.) и обратно. Очевидно, что эффективность работы систем связи во многом предопределяется качеством ЛС, их свойствами и параметрами, а также зависимостью этих величин от частоты и воздействия различных факторов, включая мешающие влияния сторонних электромагнитных полей.

Различают два основных типа ЛС: линии в атмосфере (радиолинии РЛ) и направляющие линии передачи (линии связи). Отличительной особенностью направляющих линий связи является то, что распространение сигналов в них от одного абонента (станции, устройства, элемента схемы и т. д.) к другому осуществляется только по специально созданным цепям и трактам ЛС, образующим направляющие системы, предназначенные для передачи электромагнитных сигналов в заданном направлении с должными качеством и надежностью.

В настоящее время по линиям связи передаются сигналы от постоянного тока до оптического диапазона частот, а рабочий диапазон длин волн простирается от 0,85 мкм до сотен километров. Различают три основных типа ЛС: кабельные (КЛ), воздушные (ВЛ), волоконно-оптические (ВОЛС). Кабельные и воздушные линии относятся к проводным линиям, у которых направляющие системы образуются системами “проводник--диэлектрик”, а волоконно-оптические линии представляют собой диэлектрические волноводы, направляющая система которых состоит из диэлектриков с различными показателями преломления. Волоконно-оптические линии связи представляют собой системы для передачи световых сигналов микроволнового диапазона волн от 0,8 до 1,6 мкм по оптическим кабелям. Этот вид линий связи рассматривается как наиболее перспективный. Достоинствами ВОЛС являются низкие потери, большая пропускная способность, малые масса и габаритные размеры, экономия цветных металлов, высокая степень защищенности от внешних и взаимных помех.

Таблица №1 Достоинства и недостатки оптоволоконной связи

Достоинства	Недостатки
Открытые системы связи
Более высокое отношение мощности принимаемого сигнала к излучаемой мощности при меньших апертурах антенн передатчика и приемника. Лучшее пространственное разрешение при меньших апертурах антенн передатчика и приемника Очень малые габариты передающего и приемного модулей, используемых для связи на расстояния до 1 км Хорошая скрытность связи Освоение неиспользуемого участка спектра электромагнитных излучений Отсутствие необходимости получения разрешение на эксплуатацию системы связи	Малая пригодность для радио вещания из-за высокой направленности лазерного пучка. Высокая требуемая точность наведения антенн передатчика и приемника Низкий КПД оптических излучателей Сравнительно высокий уровень шума в приемнике, частично обусловленный квантовой природой процесса детектирования оптического сигнала Влияние характеристик атмосферы на надежность связи Возможность отказов аппаратуры.
Направляющие системы связи
Возможность получений световодов с малыми затуханием и дисперсией, что позволяет сделать большим расстояния между ретрансляторами (10 … 50 км) Малый диаметр одноволоконного кабеля Допустимость изгиба световода под малыми радиусами Малая масса оптического кабеля при высокой информационной пропускной способности Низкая стоимость материала световода Возможность получения оптический кабелей, не обладающих электропроводностью и индуктивностью Пренебрежимо малые перекрестные помехи Высоко скрытость связи: ответвление сигнала возможно только при непосредственном подсоединении к отдельному волокну Гибкость в реализации требуемой полосы пропускания: световоды различных типов позволяет заменить электрические кабели в цифровых системах связи всех уровней иерархии Возможность постоянного усовершенствования системы связи	Трудность соединения (сращивания) оптических волокон Необходимость прокладки дополнительных электропроводящих жил в оптическом кабеле для обеспечения электропитания дистанционно управляемой аппаратуры Чувствительность оптического волокна к воздействию воды при ее попадании в кабель Чувствительность оптического волокна к воздействию ионизирующего излучения Низкий КПД источников оптического излучения при ограниченной мощности излучения Трудности реализации режима многостанционного (параллельного) доступа с помощью шины с временным разделением каналов Высокий уровень шума в приемнике

Конструкция и характеристика оптических кабелей связи. Классификация оптических кабелей связи

Оптический кабель состоит из скрученных по определенной системе оптических волокон из кварцевого стекла (световодов), заключенных в общую защитную оболочку. При необходимости кабель может содержать силовые (упрочняющие) и демпфирующие элементы.

Существующие ОК по своему назначению могут быть классифицированы на три группы: магистральные, зоновые и городские. В отдельные группы выделяется подводные, объектовые и монтажные ОК.

Магистральные ОК предназначаются для передачи информации на большие расстояния и значительное число каналов. Они должны обладать малыми затуханием и дисперсией и большой информационно-пропускной способностью. Используется одномодовое волокно с размерами сердцевины и оболочки 8/125 мкм. Длина волны 1,3...1,55 мкм.

Зоновые ОК служат для организации многоканальной связи между областным центром и районами с дальностью связи до 250 км. Используются градиентные волокна с размерами 50/125 мкм. Длина волны 1,3 мкм.

Городские ОК применяются в качестве соединительных между городскими АТС и узлами связи. Они рассчитаны на короткие расстояния (до |10 км) и большое число каналов. Волокна-градиентные (50/125 мкм). Длина волны 0,85 и 1,3 мкм. Эти линии, как правило, работают без промежуточных линейных регенераторов.

Подводные ОК предназначаются для осуществления связи через большие водные преграды. Они должны обладать высокой механической прочностью на разрыв и иметь надежные влагостойкие покрытия. Для подводной связи также важно иметь малое затухание и большие длины регенерационных участков.

Объектовые ОК служат для передачи информации внутри объекта. Сюда относятся учрежденческая и видеотелефонная связь, внутренняя сеть кабельного телевидения, а также бортовые информационные системы подвижных объектов (самолет, корабль и др.).

Монтажные ОК используются для внутри- и межблочного монтажа аппаратуры. Они выполняются в виде жгутов или плоских лент.

Оптические волокна и особенности их изготовления

Основным элементом ОК является оптическое волокно (световод), выполненное в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы, по которому передаются световые сигналы с длинами волны 0,85...1,6 мкм, что соответствует диапазону частот (2,3...1,2) * 10¹⁴ Гц.

Световод имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления . Сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии. Назначение оболочки -- создание лучших условий отражения на границе “сердцевина -- оболочка” и защита от помех из окружающего пространства.

Сердцевина волокна, как правило, состоит из кварца, а оболочка может быть кварцевая или полимерная. Первое волокно называется кварц--кварц, а второе кварц--полимер (кремнеор-ганический компаунд). Исходя из физико-оптических характеристик предпочтение отдается первому. Кварцевое стекло обладает следующими свойствами: показатель преломления 1,46, коэффициент теплопроводности 1,4 Вт/мк, плотность 2203 кг/м³.

Снаружи световода располагается защитное покрытие для предохранения его от механических воздействий и нанесения расцветки. Защитное покрытие обычно изготавливается двухслойным: вначале кремнеорганический компаунд (СИЭЛ), а затем--эпоксидакрылат, фторопласт, нейлон, полиэтилен или лак. Общий диаметр волокна 500...800 мкм (рис. 1).

Рис. 1. Сечение оптического волокна:

1-- сердцевина ; 2 -- оболочка ; 3 -- защитное покрытие

В существующих конструкциях ОК применяются световоды трех типов: ступенчатые с диаметром сердцевины 50 мкм, градиентные со сложным (параболическим) профилем показателя преломления сердцевины и одномодовые с тонкой сердцевиной (6...8 мкм) (рис. 2).



Рис. 2. Оптические волокна:

а -- профиль показателя преломления; б -- прохождение луча; 1 -- ступенчатые; 2 -- градиентные; 3 -- одномодовые

По частотно-пропускной способности и дальности передачи лучшими являются одномодовые световоды, а худшими -- ступенчатые.

Важнейшая проблема оптической связи -- создание оптических волокон (ОВ) с малыми потерями. В качестве исходного материала для изготовления ОВ используется кварцевое стекло , которое является хорошей средой для распространения световой энергии. Однако, как правило, стекло содержит большое количество посторонних примесей, таких как металлы (железо, кобальт, никель, медь) и гидроксильные группы (ОН). Эти примеси приводят к существенному увеличению потерь за счет поглощения и рассеяния света. Для получения ОВ с малыми потерями и затуханием необходимо избавиться от примесей, чтобы было химически чистое стекло.

Конструкции оптических кабелей

Конструкции ОК в основном определяются назначением и областью их применения. В связи с этим имеется много конструктивных вариантов. В настоящее время в различных странах разрабатывается и изготавливается большое число типов кабелей.



Рис. 3. Типовые конструкции оптических кабелей:

а--повивная концентрическая скрутка; б--скрутка вокруг профилированного сердечника; в--плоская конструкция; 1-- волокно; 2-- силовой элемент; 3-- демпфирующая оболочка; 4--защитная оболочка; 5--профилированный сердечник; 6-- ленты с волокнами

Однако все многообразие существующих типов кабелей можно подразделять на три группы (рис.3):

1. кабели повивной концентрической скрутки

2. кабели с фигурным сердечником

3. плоские кабели ленточного типа.

Кабели первой группы имеют традиционную повивную концентрическую скрутку сердечника по аналогии с электрическими кабелями. Каждый последующий повив сердечника по сравнению с предыдущим имеет на шесть волокон больше. Известны такие кабели преимущественно с числом волокон 7, 12, 19. Чаще всего волокна располагаются в отдельных пластмассовых трубках, образуя модули.

Кабели второй группы имеют в центре фигурный пластмассовый сердечник с пазами, в которых размещаются ОВ. Пазы и соответственно волокна располагаются по геликоиде, и поэтому они не испытывают продольного воздействия на разрыв. Такие кабели могут содержать 4, 6, 8 и 10 волокон. Если необходимо иметь кабель большой емкости, то применяется несколько первичных модулей.

Кабель ленточного типа состоит из стопки плоских пластмассовых лент, в которые вмонтировано определенное число ОВ. Чаще всего в ленте располагается 12 волокон, а число лент составляет 6, 8 и 12. При 12 лентах такой кабель может содержать 144 волокна.

В оптических кабелях кроме ОВ, как правило, имеются следующие элементы:

силовые (упрочняющие) стержни, воспринимающие на себя продольную нагрузку, на разрыв;

заполнители в виде сплошных пластмассовых нитей;

армирующие элементы, повышающие стойкость кабеля при механических воздействиях;

наружные защитные оболочки, предохраняющие кабель от проникновения влаги, паров вредных веществ и внешних механических воздействий.

В России изготавливаются различные типы и конструкций ОК. Для организации многоканальной связи применяются в основном четырех- и восьмиволоконные кабели.

Представляют интерес ОК французского производства (рис.4). Они, как правило, комплектуются из унифицированных модулей, состоящих из пластмассового стержня диаметром 4 мм с ребрами по периметру и десяти ОВ, расположенных по периферии этого стержня. Кабели содержат 1, 4, 7 таких модулей. Снаружи кабели имеют алюминиевую и затем полиэтиленовую оболочку.



Рис. 4. Конструкции оптических кабелей французского производства:

а -- 10-волоконный модуль; б -- 70-волоконный кабель; 1 -- оптические волокна; 2 -- фигурный сердечник;

3 -- силовой элемент; 4 -- пластмассовая лента; 5--модуль на десять волокон; 6 -- алюминиевая оболочка; 7--полиэтиленовая оболочка

Американский кабель, широко используемый на ГТС, представляет собой стопку плоских пластмассовых лент, содержащих по 12 ОВ. Кабель может иметь от 4 до 12 лент, содержащих 48-- 144 волокна (рис.5).

Рис. 5. Американский кабель плоской конструкции:

а--лента с 12 волокнами; б--сечение кабеля; в--общий вид кабеля; 1--оптическое волокно; 2--полиэтиленовая лента; 3--стопка лент из 144 волокон; 4-- защитное покрытие; 5 -- внутренняя полиэтиленовая оболочка; 6 -- пластмассовые ленты; 7 -- силовые элементы; в -- полиэтиленовые оболочки

Оптические кабели российского производства

Первое поколение ОК, созданных в 1986--1988 гг., включает кабели городской (ОК-50), зоновой (ОЗКГ) и магистральной (ОМЗКГ) связи. Современные требования развития связи потребовали создания новых усовершенствованных типов ОК (второе поколение). Такими кабелями, разработанными в период 1990--1992 гг., являются: ОКК--для городской связи (прокладка в канализации), ОКЗ--для зоновой и ОКЛ--для линейной магистральной связи.

Отличительные особенности ОК второго поколения:

переход на волны 1,3 и 1,55 мкм;

применение одномодовых волокон;

модульные конструкции кабелей (каждый модуль на 1, 2, 4 волокна);

наличие медных жил для дистанционного электропитания;

разнообразие типов наружных оболочек (стальные ленты, проволоки, стеклопластик, полиэтилен, оплетка);

широкополосность и большие длины регенерационных участков.

Кабель ОКК по сравнению с ОК-50 имеет меньшее затухание, большие дальность связи и широкополосность. Кабель ОКК состоит из градиентных и одномодовых волокон.

Новый зоновый кабель ОКЗ имеет различные типы оболочек, позволяющих использовать его в различных условиях эксплуатации (земля, вода, подвеска).

Кабель междугородной связи ОК.Л по сравнению с предшествующим (ОМЗКГ) обладает большей длиной трансляционного участка и позволяет применять наиболее мощную систему передачи на 7680 каналов (“Сопка-5”).

Рассмотрим конструкции отечественных ОК.

Кабель городской связи типа ОК-50 содержит четыре или восемь волокон (рис.6). Волокна свободно расположены в полимерных трубках. Скрутка -- повивная, концентрическая. В центре размещен силовой элемент из высокопрочных полимерных нитей. Снаружи имеется, полиэтиленовая оболочка.

Рис. 6. Оптический кабель городской связи ОК-50:

1 -- силовой элемент; 2 -- пластмассовая трубка; 3 -- волокно; 4 -- пластмассовая лента; 5--полиэтиленовая оболочка

Четырехволоконный кабель ОК-4 имеет принципиально ту же конструкцию и размеры, что и восьмиволоконный, но только четыре волокна в нем заменены пластмассовыми стержнями. Изготавливаются также кабели, содержащие больше число волокон. Городские кабели прокладываются в телефонные канализации.

Кабель зоновой связи марки ОЗКГ (рис.7) содержит восемь градиентных волокон, расположенных в пазах профилированного пластмассового сердечника. Так как кабель предназначен для непосредственной прокладки в грунт, он имеет защитный броневой покров из стальных проволок диаметром 1,2 мм. Дистанционное электропитание регенераторов осуществляется по четырем медным изолированным проводникам диаметром 1,2 мм, расположенным в броневом покрове кабеля. Снаружи кабель имеет полиэтиленовую оболочку.



Рис. 7. Оптический кабель зоновой связи марки ОЗКГ:

1-- профилированный сердечник; 2 -- силовой элемент; 3 -- волокно; 4 -- внутренняя пластмассовая оболочка; 5--стальная проволока; 6--наружная полиэтиленовая оболочка; 7--медный проводник

Магистральный кабель ОКЛ изготавливается из одномодовых волокон с сердцевиной диаметром 10 мкм, имеет две модификации: с медными проводниками диаметром 1,2 мм для дистанционного питания регенераторов (рис.17) и без медных проводников с питанием от местной сети или автономных источников теплоэлектрогенераторов (ТЭГ).

Центральный силовой элемент выполнен из стеклопластиковых стержней. Наружный покров кабеля имеет несколько разновидностей: для прокладки в канализации -- это полиэтиленовый шланг (марка ОКЛ), для подземной прокладки -- броневой покров из стеклопластиковых стержней (ОКЛС), стальных лент (марка ОКЛБ), круглой проволоки (ОКЛК).



Рис. 8. Магистральный оптический кабель марки ОКЛ:

1 -- оптическое волокно; 2 -- оболочка оптического модуля; 3 -- центральный силовой элемент из стеклопластикового стержня;4--оболочка; 5--медная жила; 6--изоляция медной жилы; 7--гидрофобное заполнение; 8 -- обмоточная лента; 9 -- промежуточная оболочка из полиэтилена; 10-- подушка из крепированной бумаги; 11 -- сталеленточная броня; 12--наружная защитная оболочка из полиэтилена (с битумной подклейкой к броне)

Основные оптические и физико-механические свойства ОК отечественного производства приведены в

Таблица №2

Характеристика	ОК-50	ОКК	ОЗКГ	ОКЗ	ОМЗКГ	ОКЛ
Система передачи	“Соната-2”	ИКМ-4/5	“Сопка-3”	“Сопка-4”	“Сопка-4м”, “Сопка-5”
Число цифровых каналов	120	120, 480	480	480	1920	1920; 7680
л, мкм	0,85	1,3	1,3	1,3	1,3	1,55
Д, дБ/ км	3	0,7…1,0	0,7… 1,0	0,7… 1,5	0,7	0,3
ДF, МГц км	250… 500	1000	500…800	5000	5000
Длина регенерационного участка, км	12	30	30	30	40	100
Число волокон	4 и 8	4, 8, 16	4 и 8	4 и 8	4, 8, 16	4, 8, 16
Тип волокна	МОВ	ООВ и МОВ	МОВ	МОВ	ООВ	ООВ
Подземные	d , мм Q , кг/км P , Н	11…15 100…300 1200	12…18 110…320 300…3500	17 370 3000	18…20 406…445 --	12…18 130…400 1300…4000	14…18 140…404 1000…3500
Подводные	d , мм Q , кг/км P , Н	-- -- --	24 1200 25000	-- -- --	20 1040 25000	-- -- --	25 1300 25000
Строительная длина, км	1…2	2	2
Срок службы, лет	25	25	25
Электропитание	Местное	ДП	Автономное, ДП

Примечание. d --коэффициент широкополосноети; Q -- масса; Р--разрывная прочность; ООВ--одномодовое, МОВ-- многомодовое оптическое волокно.

Достоинства оптических кабелей и область их применения

Наряду с экономией цветных металлов, и в первую очередь меди, оптические кабели обладают следующими достоинствами:

широкополосность, возможность передачи большого потока информации (несколько тысяч каналов);

малые потери и соответственно большие длины трансляционных участков (30...70 и 100 км);

малые габаритные размеры и масса (в 10 раз меньше, чем электрических кабелей);

высокая защищенность от внешних воздействий и переходных помех;

надежная техника безопасности (отсутствие искрения и короткого замыкания).

К недостаткам оптических кабелей можно отнести:

подверженность волоконных световодов радиации, за счет которой появляются пятна затемнения и возрастает затухание;

водородная коррозия стекла, приводящая к микротрещинам световода и ухудшению его свойств.

Области применения ОК с учетом их достоинств перечислены на (рис.9).

Рис. 9. Свойства и области использования ВОЛС

Для систем связи существенными являются показатели 1--5, для автоматизированных систем управления и ЭВМ--показатели 1, 2, 3. Мобильные подвижные системы требуют выполнения в первую очередь показателей 1, 2, 6.

Область возможных применений ВОЛС весьма широка -- от линии городской и сельской связи и бортовых комплексов (самолеты, ракеты, корабли) до систем связи на большие расстояния с высокой информационной .емкостью. На основе оптической волоконной связи могут быть созданы принципиально новые системы передачи информации. На базе ВОЛС развивается единая интегральная сеть многоцелевого назначения. Весьма перспективно применение оптических систем в кабельном телевидении, которое обеспечивает высокое качество изображения и существенно расширяет возможности информационного обслуживания абонентов.

Физические процессы в волоконных световодах

В отличие от обычных кабелей, обладающих электрической проводимостью и током проводимости , ОК имеют совершенно другой механизм -- они обладают токами смещения , на основе которых действует также радиопередача. Отличие от радиопередачи состоит в том, что волна не распространяется в свободном пространстве, а концентрируется в самом объеме световода и передается по нему в заданном направлении (рис.10).

Рис.10. Процесс передачи:

а -- радиосвязь; б -- волоконно-оптическая связь

Передача волны по световоду осуществляется за счет отражений ее от границы сердцевины и оболочки, имеющих разные показатели преломления . В обычных кабелях носителем передаваемой информации является электрический ток, а в ОК--лазерный луч.

В обычных широко используемых в настоящее время симметричных и коаксиальных кабелях передача организуется по двухпроводной схеме с применением прямого и обратного проводников цепи (рис.11).



Рис. 11. Передача энергии по двухпроводным (а) и волноводным (б) направляющим средам

В световодах, волноводах и других направляющих средах (НС) нет двух проводников, и передача происходит волноводным методом по закону многократного отражения волны от границ раздела сред. Такой отражательной границей может быть металл--диэлектрик, диэлектрик--диэлектрик с различными диэлектрическими (оптическими) свойствами и др.

Граница раздела двухпроводных (двухсвязных) и волноводных (односвязных) НС характеризуется в первую очередь соотношением между длиной волны и поперечными размерами направляющей среды .

При этом должно быть два провода: прямой и обратный, и передача происходит по обычной двухпроводной схеме; в противном случае не требуется двухпроводная система, и передача осуществляется за счет многократного отражения волны от границ раздела сред с различными характеристиками. Поэтому передача по волноводным системам (световодам, волноводам и другим НС) возможна лишь в диапазоне очень высоких частот, когда длина волны меньше, чем поперечные размеры--диаметр НС.

Оптические микронные волны подразделяются на три диапазона: инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый (таблица №3). В настоящее время используются в основном волны длиной 0,7...1,6 мкм и ведутся работы по освоению ближнего инфракрасного диапазона: 2; 4; 6 мкм.

Таблица №3

Диапазон	ИКЛ	ВЛ	УФЛ
f , Гц	1012... 1014	10--14... 1015	1015... 1017
л , мкм	0,75...100	0,4...0,75	0,01...0,4

Таким образом, для передачи электромагнитной энергии применяются электрические оптические кабели, а также радиосвязь (таблица №4).

Таблица №4 - (Передача по электрическим (ЭК), оптическим (ОК) кабелям и радиосвязным каналам (РС))

Среда передачи	НС	НС	ОС
Ток	IФ	Iсм	Iсм

В разных системах используются различные среды (направляющая или открытая) и токи ( и ). Особенности этих НС связаны с частотными ограничениями при передаче энергии.

Принципиально различен частотный диапазон передачи по волноводным и двухпроводным системам. Волноводные системы имеют частоту отсечки -- критическую частоту , ведут себя как фильтры ВЧ, и по ним возможна лишь передача волн длиной менее чем . Двухпроводные системы свободны от этих ограничений и способны передавать весь диапазон частот -- от нуля и выше.

Волоконные световоды

Основным элементом ОК является волоконный световод, выполненный в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы. Волоконный световод имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными оптическими характеристиками (показателями преломления ). Сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии. Назначение оболочки: создание лучших условий отражения на границе “сердцевина--оболочка” и защита от излучения энергии в окружающее пространство. Снаружи располагается защитное покрытие для предохранения волокна от механических воздействий и нанесения расцветки. Сердцевина и оболочка изготовляются из кварца , покрытие -- из эпоксиакрилата, фторопласта, нейлона, лака и других полимеров.

Оптические волокна классифицируются на одномодовые и многомодовые. Последние подразделяются на ступенчатые и градиентные. Одномодовые волокна имеют тонкую сердцевину (6…8 мкм), и по ним передается одна волна; по многомодовым (сердцевина 50 мкм) распространяется большое число волн. Наилучшими параметрами по пропускной способности и дальности обладают одномодовые волокна. У ступенчатых световодов показатель преломления в сердечнике постоянен, имеется резкий переход от сердцевины к оболочке, и лучи зигзагообразно отражаются от границы “сердечник--оболочка”. Градиентные световоды имеют непрерывное плавное изменение показателя преломления в сердцевине по радиусу световода от центра к периферии, и лучи распространяются по волнообразным траекториям. Показатель преломления сердцевины меняется вдоль радиуса по закону показательной функции,

где -- максимальное значение показателя преломления на оси волокна, т. е. при r=0; и-- показатель степени, описывающей профиль изменения показателя преломления:

Чаще всего применяются световоды с параболическим профилем. В этом случае и=2 и соответственно:

Если принять , то получим известное значение п ступенчатого световода:

Дисперсия и пропускная способность

Параметр (пропускная способность) является наряду с затуханием к важнейшим параметром ВОСП. Он определяет полосу частот, пропускаемую световодом, и соответственно объем информации, который можно передать по ОК.

В предельном идеализированном варианте по ВС возможна организация огромного числа каналов на большие расстояния, но фактически имеются значительные ограничения. Это обусловлено тем, что сигнал на вход приемного устройства приходит размытым, искаженным, причем чем длиннее линия, тем больше искажается передаваемый сигнал.

Данное явление носит название дисперсии и обусловлено различием времени распространения различных мод в световоде и наличием частотной зависимости показателя преломления.

Дисперсия--это рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала. Дисперсия приводит к увеличению длительности импульса при прохождении по ОК. Уширение импульса т определяется как квадратичная разность длительности импульсов на выходе и входе формуле



причем значения и берутся на уровне половины амплитуды импульсов.

Связь между величиной уширения импульсов и полосой частот, передаваемых по ВС, приближенно выражается соотношением

Так, если =20 нс/км, то

Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон использования световодов, но и существенно снижает дальность передачи по ОК, так как чем длиннее линия, тем больше проявляется дисперсия и больше уширение импульса.

Пропускная способность ОК существенно зависит от типа ВС (одномодовые, многомодовые, градиентные), а также от типа излучателя (лазер, светодиод).

Причинами возникновения дисперсии являются :

некогерентность источников излучения и появление спектра;

существование большого количества мод (N).

В первом случае дисперсия называется хроматической (частотной). Она делится на материальную и волноводную (внутримодовую дисперсию). Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны

Во втором случае дисперсия называется кодовой и обусловлена наличием большого количества мод, время распространения которых различно

В геометрической интерпретации соответствующие модам лучи идут под разными углами, проходят различный путь в сердцевине волокна и, следовательно, поступают на вход приемника с различной задержкой.

Результирующее значение уширения импульсов за счет модовой, материальной и волноводной дисперсий

С учетом реального соотношения вкладов отдельных видов дисперсий имеем для многомодовых волокон уширение импульсов

а для одномодовых волокон

Величина уширения импульса в многомодовых волокнах за счет модовой дисперсии, которая характеризуется временем нарастания сигнала и определяется как разность между самым большим и самым малым временем прихода в сечение световода на расстоянии I от начала, может быть рассчитана для ступенчатого и градиентного световода соответственно по формулам

и,

где -- показатель преломления сердцевины; -- показатель преломления оболочки; l -- длина линии; c-- скорость света;

-- длина связи мод, при которой наступает установившийся режим (5...7 км для ступенчатого и 10...15 км градиентного волокон);

Соответственно пропускная способность градиентного световода в 2/Д раз меньше, чем ступенчатого, при одинаковых значениях Д. Учитывая, что, как правило, Д ? 1%, различие пропускной способности указанных световодов может достигать двух порядков.

Уширения импульса ф в одномодовых волокнах могут быть определены по формулам

где -- относительная ширина спектра излучения; l --длина линии; с -- скорость света; л -- длина волны; n₁ -- показатель преломления.

Для расчета можно воспользоваться также упрощенными формулами

и

где -- ширина спектральной линии источника излучения, равная 0,1...4 нм для лазера и 15...80 нм для световода; l-- длина линии; и M(л) и B(л) -- удельные материальная и волноводная дисперсии соответственно.

Удельные дисперсии выражаются в пикосекундах на километр (длины световода) и нанометр (ширины спектра). Зависимости материальной и волноводной дисперсий для кварцевого стекла приведены на (рис.12).

Рис. 12. Удельные значения дисперсий в одномодовых волокнах при различных длинах волн:

1 -- волноводная; 2 -- материальная 3 -- результирующая.

Как видно из рисунка, с увеличением длины волны ф_мат уменьшается и проходит через нуль, а ф_вв несколько растет. Вблизи л ? 1,35 мкм происходит их взаимная компенсация и результирующая дисперсия приближается к нулевому значению. Поэтому длина волны 1,3 мкм получает широкое применение в одномодовых системах передачи. Однако по затуханию предпочтительнее волна 1,55 мкм, и для достижения минимума дисперсии в этом случае приходится варьировать профилем показателя преломления и диаметром сердцевины. При сложном профиле типа W и трехслойном световоде можно и на длине волны 1,55 мкм получить минимум дисперсионных искажений.

В таблице №5 приведены дисперсионные свойства различных типов ВС.

Таблица №5

Вид дисперсии	Величина дисперсии световода
	многомодового	одномодового
	ступенчатого	градиентного
Волноводная	Малое значение	Взаимная компенсация
Материальная	2...5 нс/км	0,1...0,3 нс/км	Малые значения
Межмодовая	30...50 нс/км	2...4 нс/км	--
Полоса частот	Десятки мегагерц	Сотни мегагерц	Тысячи мегагерц

Сравнивая дисперсионные характеристики различных световодов, можно отметить, что лучшими обладают одномодовые световоды. Хорошие характеристики также у градиентных световодов с плавным изменением показателя преломления. Наиболее резко дисперсия проявляется у ступенчатых многомодовых световодов.

Рассмотрим пропускную способность ОК. В электрических кабелях с медными проводниками (симметричных и коаксиальных) полоса пропускания и дальность связи в основном лимитируются затуханием и помехозащищенностью цепей. Оптические кабели принципиально не подвержены электромагнитным воздействиям и обладают высокой помехозащищенностью, поэтому параметр помехозащищенности не является ограничивающим фактором. В ОК полоса пропускания и дальность связи лимитируются затуханием и дисперсией.

Затухание ОК растет по закону . В широкой полосе частот оно весьма стабильное и лишь на очень высоких частотах возрастает за счет дисперсии. Поэтому дисперсия и определяет ширину полосы пропускания частот. Из рисунка видно, что полоса пропускания одномодовых световодов существенно больше, чем ступенчатых и градиентных.

Рис. 13. Зависимость дисперсии (ф) и пропускной способности (ДF) ОК от длины линии

На рис.13 показан характер зависимостей дисперсии (ф ) и пропускной способности (ДF ) оптических кабелей от длины линии. Дисперсия приводит как к ограничению пропускной способности ОК, так и к снижению дальности передачи по ним (l). Полоса частот и дальность передачи l взаимосвязаны. Соотношение между ними выражается формулами:

для коротких линий (l < l_c), у которых уширение импульсов с длиной растет линейно,

для длинных линий (l > l_c), у которых действует закон v l изменения величины ширины импульсов,

где ДF -- дисперсия на 1 км; ДF_x -- искомое значение дисперсии; l_x -- длина линии; l_c -- длина линии устанавливающего режима (5...7 км для ступенчатого и 10...15 км для градиентного волокна).

Километрическое значение полосы пропускания определяется величиной уширения импульсов:

Основные направления развития и применения волоконной оптики

Открылись широкие горизонты практического применения ОК и волоконно-оптических систем передачи в таких отраслях народного хозяйства, как радиоэлектроника, информатика, связь, вычислительная техника, космос, медицина, голография, машиностроение, атомная энергетика и др. Волоконная оптика развивается по шести направлениям:

1. многоканальные системы передачи информации;

2. кабельное телевидение;

3. локальные вычислительные сети;

4. датчики и системы сбора обработки и передачи информации;

5. связь и телемеханика на высоковольтных линиях;

6. оборудование и монтаж мобильных объектов.

Многоканальные ВОСП начинают широко использоваться на магистральных и зоновых сетях связи страны, а также для устройства соединительных линий между городскими АТС. Объясняется это большой информационной способностью ОК и их высокой помехозащищенностью. Особенно эффективны и экономичны подводные оптические магистрали.

Применение оптических систем в кабельном телевидении обеспечивает высокое качество изображения и существенно расширяет возможности информационного обслуживания индивидуальных абонентов. В этом случае реализуется заказная система приема и предоставляется возможность абонентам получать на экране своих телевизоров изображения газетных полос, журнальных страниц и справочных данных из библиотеки и учебных центров.

На основе ОК создаются локальные вычислительные сети различной топологии (кольцевые, звездные и др.). Такие сети позволяют объединять вычислительные центры в единую информационную систему с большой пропускной способностью, повышенным качеством и защищенностью от несанкционированного допуска.

Волоконно-оптические датчики способны работать в агрессивных средах, надежны, малогабаритны и не подвержены электромагнитным воздействиям. Они позволяют оценивать на расстоянии различные физические величины (температуру, давление, ток и др.). Датчики используются в нефтегазовой промышленности, системах охранной и пожарной сигнализации, автомобильной технике и др.

Весьма перспективно применение ОК на высоковольтных линиях электропередачи (ЛЭП) для организации технологической связи и телемеханики. Оптические волокна встраиваются в фазу или трос. Здесь реализуется высокая защищенность каналов от электромагнитных воздействий ЛЭП и грозы.

Легкость, малогабаритность, невоспламеняемость ОК сделали их весьма полезными для монтажа и оборудования летательных аппаратов, судов и других мобильных устройств.

В последнее время появилось новое направление в развитии волоконно-оптической техники -- использование среднего инфракрасного диапазона волн 2...10 мкм. Ожидается, что потери в этом диапазоне не будут превышать 0,02 дБ/км. Это позволит осуществить связь на большие расстояния с участками регенерации до 1000 км. Исследование фтористых и халькогенидных стекол с добавками циркония, бария и других соединений, обладающих сверхпрозрачностью в инфракрасном диапазоне волн, дает возможность еще больше увеличить длину регенерационного участка.

Ожидаются новые интересные результаты в использовании нелинейных оптических явлений, в частности соли тонного режима распространения оптических импульсов, когда импульс может распространяться без изменения формы или периодически менять свою форму в процессе распространения по световоду. Использование этого явления в волоконных световодах позволит существенно увеличить объем передаваемой информации и дальность связи без применения ретрансляторов.

В третьем поколении ВОСП предполагается использовать преобразование речевых сигналов в оптические непосредственно с помощью акустических преобразователей. Уже разработан оптический телефон и проводятся работы по созданию принципиально новых АТС, коммутирующих световые, а не электрические сигналы. Имеются примеры создания многопозиционных быстродействующих оптических переключателей, которые могут использоваться для оптической коммутации.