Доклад по волоконной оптике

p> В настоящее время наиболее распространен метод создания ОВ с малыми потерями путем химического осаждения из газовой фазы.

Получение ОВ путем химического осаждения из газовой фазы выполняется в два этапа: изготовляется двухслойная кварцевая заготовка и из нее вытягивается волокно. Заготовка изготавливается следующим образом (рис. 3).

Рис. 3. Изготовление заготовки методом химического осаждения из газовой фазы:

1—опорная трубка (оболочка ); 2—осажденные продукты (сердцевина );

3—нагревательная спираль; 4 — газообразный поток кварца

Во внутрь полой кварцевой трубки с показателем преломления длиной
0,5...2 м и диаметром 16...18 мм подается струя хлорированного кварца и кислорода . В результате химической реакции при высокой температуре
(1500...1700° С) на внутренней поверхности трубки слоями осаждается чистый кварц . Таким образом, заполняется вся внутренняя полость трубки, кроме самого центра. Чтобы ликвидировать этот воздушный канал, подается еще более высокая температура (1900° С), за счет которой происходит схлопывание и трубчатая заготовка превращается в сплошную цилиндрическую заготовку.
Чистый осажденный кварц затем становится сердечником ОВ с показателем преломления , а сама трубка выполняет роль оболочки с показателем преломления . Вытяжка волокна из заготовки и намотка его на приемный барабан производятся при температуре размягчения стекла (1800...2200° С).
Из заготовки длиной в 1 м получается свыше 1 км оптического волокна (рис.
4).

Рис. 4. Вытягивание волокна из заготовки:

1 — заготовка; 2 — печь; 3 — волокно; 4 — приемный барабан

Достоинством данного способа является не только получение ОВ с сердечником из химически чистого кварца, но и возможность создания градиентных волокон с заданным профилем показателя преломления. Это осуществляется: за счет применения легированного кварца с присадкой титана, германия, бора, фосфора или других реагентов. В зависимости от применяемой присадки показатель преломления волокна может изменяться. Так, германий увеличивает, а бор уменьшает показатель преломления. Подбирая рецептуру легированного кварца и соблюдая определенный объем присадки в осаждаемых на внутренней поверхности трубки слоях, можно обеспечить требуемый характер изменения по сечению сердечника волокна.

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. 5. 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.5):

8. кабели повивной концентрической скрутки

9. кабели с фигурным сердечником
10. 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.6). 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. 6. 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.7).

Рис. 7. 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

На (рис.8) показан японский ОК с алюминиевой оболочкой и наружным полиэтиленовым шлангом.

Рис. 8. Японский оптический кабель:

1 — оптические волокна; 2—медный силовой элемент; 3 — демпфирующее покрытие; 4—наружная оболочка

В Англии построена опытная линия электропередачи с фазными проводами, содержащими ОВ для, технологической связи вдоль ЛЭП. Как видно из (рис.9), в центре провода ЛЭП располагаются четыре ОВ.

Рис. 9. Оптический кабель, встроенный в фазный провод ЛЭП:

1 — оптические волокна; 2 — защитное покрытие; 3 — проводники ЛЭП

Применяются также подвесные ОК (рис.10). Они имеют металлический трос, встроенный в кабельную оболочку. Кабели предназначаются для подвески по опорам воздушных линий и стенам зданий.

Рис. 10. Подвесной оптический кабель с встроенным тросом:

1—оптические волокна; 2—стальной трос; 3 — полиэтиленовая оболочка

Для подводной связи проектируются ОК, как правило, с наружным броневым покровом из стальных проволок (рис.11). В центре располагается модуль с шестью ОВ. Кабель имеет медную или алюминиевую трубку. По цепи
“трубка—вода” подается ток дистанционного питания на подводные необслуживаемые усилительные пункты.

Рис.11. Подводный оптический кабель: а — шестиволоконный модуль (3 варианта); б—подводный кабель; 1—оптический модуль; 2—шесть оптических волокон; 3—силовой элемент из стальной проволоки; 4 — полиэтиленовая оболочка модуля; 5 —пластмассовые трубки;

6—заполнение компаундом; 7—стальная броня; 8 — медная или алюминиевая трубка; 9—полиэтиленовый шланг

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.12). Волокна свободно расположены в полимерных трубках. Скрутка — повивная, концентрическая. В центре размещен силовой элемент из высокопрочных полимерных нитей. Снаружи имеется, полиэтиленовая оболочка.

Рис. 12. 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 городской связи типа ОКК, прокладываемый в канализации, содержит
4, 8 или 16 волокон (рис.13). Кабель имеет градиентные волокна с диаметром сердцевины 50 мкм (ОКК-50-01) или одномодовые волокна с диаметром сердцевины 10 мкм (ОКК-10-02).

Рис. 13. Оптический кабель городской связи марки ОККС:

1 — силовой элемент (стеклопластик); 2 — оптическое волокно; 3 — пластмассовая лента; 4 — стеклопластиковые стержни; 5—полиэтиленовый шланг

Силовой центральный элемент выполнен из стеклопластиковых стержней или стального троса, изолированного полиэтиленом. Поверх наложена скрутка из восьми оптических модулей или корделей. В каждом модуле может содержаться
1, 2 или 4 ОВ. Затем наложены фторопластная лента и полиэтиленовый шланг.

Кабели, предназначенные для прокладки в грунтах, зараженных грызунами или подверженных механическим воздействиям, имеют еще броневой покров из стеклопластиковых стержней, а поверх него—полиэтиленовый шланг (ОККС). Известны конструкции, в которых вместо стержней применяется оплетка (ОККО).

Для подводных речных переходов применяется кабель в алюминиевой оболочке с броневым покровом из круглых стальных проволок и полиэтиленовым шлангом (ОККАК). Для станционных вводов и монтажа создан кабель ОКС.

Кабель зоновой связи марки ОЗКГ (рис.14) 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. 14. 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

Зоновый кабель ОКЗ содержит четыре или восемь многомодовых ОВ, расположенных в четырех модулях сердечника кабеля, покрытых снаружи полиэтиленовой оболочкой (см. рис.15). Кабель предназначен для прокладки в грунт, поэтому имеет защитный броневой покров. Возможны различные варианты брони: стальные круглые проволоки (ОКЗК), бронеленты (ОКЗБ), стеклопластиковые стержни (ОКЗС), стальная оплетка (ОКЗО). Изготовляются также подводные кабели с алюминиевой оболочкой и круглой стальной броней
(ОКЗАК). Станционные кабели маркируются ОКС.

Рис. 15. Оптический кабель зоновой связи марки ОКЗ:
1 — силовой элемент; 2 — оптическое волокно; 3 — медный проводник; 4 и 6 — полиэтиленовая оболочка; 5—стальная броня

Дистанционное электропитание регенераторов осуществляется по четырем медным изолированным проводникам диаметром 1,2 мм, расположенным в сердечнике кабеля.

Кабель магистральной связи ОМЗКГ (рис.16) содержит одномодовые волокна, обеспечивающие многоканальную связь на большие расстояния. Кабель содержит четыре или восемь волокон, расположенных в пазах профилированного пластмассового сердечника. Защитный покров изготавливается в двух модификациях: из стеклопластиковых стержней или стальных проволок. Снаружи имеется пластмассовая оболочка. Кабель предназначен для прокладки в грунт.

Рис.16. Магистральный оптический кабель марки ОМЗКГ:

1 — профилированный сердечник; 2 — волокно; 3 — силовой элемент; 4 — внутренняя пластмассовая оболочка;

5 — стеклопластиковые нити; 6 — наружная полиэтиленовая оболочка

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).

Рис. 17. 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)

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).

Для подводных речных переходов создан кабель с алюминиевой оболочкой и круглопроволочной броней (ОКЛАК). Для станционных вводов и монтажа используется кабель ОКС.
Основные оптические и физико-механические свойства ОК отечественного производства приведены в таблице №2

Таблица №2
|Характе| |ОК-50 |ОКК |ОЗКГ |ОКЗ |ОМЗКГ |ОКЛ |
|ристика| | | | | | | |
|Система| |“Соната|ИКМ-4/5 |“Сопка-| |“Сопка-4|“Сопка-4|
|передач| |-2” | |3” | |” |м”, |
|и | | | | | | |“Сопка-5|
| | | | | | | |” |
|Число | |120 |120, 480|480 |480 |1920 |1920; |
|цифровы| | | | | | |7680 |
|х | | | | | | | |
|каналов| | | | | | | |
|?, мкм | |0,85 |1,3 |1,3 |1,3 |1,3 |1,55 |
|?, дБ/ | |3 |0,7…1,0 |0,7… |0,7… |0,7 |0,3 |
|км | | | |1,0 |1,5 | | |
|?F, МГц| |250… |1000 |500…800| |5000 |5000 |
|км | |500 | | | | | |
|Длина | |12 |30 |30 |30 |40 |100 |
|регенер| | | | | | | |
|ационно| | | | | | | |
|го | | | | | | | |
|участка| | | | | | | |
|, км | | | | | | | |
|Число | |4 и 8 |4, 8, 16|4 и 8 |4 и 8 |4, 8, 16|4, 8, 16|
|волокон| | | | | | | |
|Тип | |МОВ |ООВ и |МОВ |МОВ |ООВ |ООВ |
|волокна| | |МОВ | | | | |
|Подземн|d , мм |11…15 |12…18 |17 |18…20 |12…18 |14…18 |
|ые | |100…300|110…320 |370 |406…445|130…400 |140…404 |
| |Q , | |300…3500|3000 | |1300…400|1000…350|
| |кг/км |1200 | | |— |0 |0 |
| |P , Н | | | | | | |
|Подводн|d , мм |— |24 |— |20 |— |25 |
|ые | |— |1200 |— |1040 |— |1300 |
| |Q , |— |25000 |— |25000 |— |25000 |
| |кг/км | | | | | | |
| |P , Н | | | | | | |
|Строите| |1…2 | |2 | |2 | |
|льная | | | | | | | |
|длина, | | | | | | | |
|км | | | | | | | |
|Срок | |25 | |25 | |25 | |
|службы,| | | | | | | |
|лет | | | | | | | |
|Электро| |Местное| |ДП | |Автономн| |
|питание| | | | | |ое, ДП | |

Примечание. —коэффициет широкополосноети; Q — масса; Р—разрывная прочность;
ООВ—одномодовое, МОВ— многомодовое оптическое волокно.

Теория направляющих систем

Развитие волоконно-оптической связи

Волоконная оптика в настоящее время получила широкое развитие и находит применение в различных областях науки и производства (связь, радиоэлектроника, энергетика, термоядерный синтез, медицина, космос, машиностроение, летающие объекты, вычислительные комплексы и т. д.). Темпы роста волоконной оптики и оптоэлектроники на мировом рынке опережают все другие отрасли техники и составляют 40 % в год. В ряде стран (Англия,
Япония, Франция, Италия и др.) уже сейчас при строительстве сооружений связи используются в основном оптические кабели (ОК). Ожидается, что к 2000 г. они займут доминирующее место на сетях междугородной и городской связи.
О масштабах развития волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) свидетельствуют объемы производства оптических волокон в США. За последнее время ими изготовлено около 10 млн. км волокна. Такое количество позволило бы сделать 250 витков вокруг всего земного шара.

Технико-экономический анализ показал, что в перспективе при массовом производстве оптических кабелей они будут конкурентоспособными с электрическими при потребностях обеспечения передачи сигналов в диапазонах частот 107...109 Гц.

Важнейшим фактором в развитии оптических систем и кабелей связи явилось появление оптического квантового генератора лазера.

Советскими учеными, академиками Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым, выполнены фундаментальные исследования в области оптоэлектроники и квантовой техники. Первые работы по освоению оптического диапазона волн для целей связи относятся к началу 60-х годов. В качестве тракта передачи использовались приземные слои атмосферы и световоды с периодической коррекцией расходимости и направления луча с помощью системы линз и зеркал.
Открытые (атмосферные) линии оказались подверженными влиянию метеорологических условий и не обеспечивали необходимой надежности связи.
Линзовые световоды с дискретной коррекцией оказались весьма дорогостоящими, требовали тщательной юстировки линз и сложных устройств автоматического управления лучом. Они не нашли практического применения на сетях связи.

Создание высоконадежных оптических кабельных систем связи стало возможным в результате разработки в начале 70-х годов оптических волокон с малыми потерями. Такие волокна в значительной мере стимулировали разработку специализированного оборудования и элементов линейного тракта ВОСП.

В России активно ведется строительство волоконно-оптических линий связи
(ВОЛС) различного назначения: городских, зоновых, магистральных. В 86 городах (Москва, Нижний Новгород, С.-Петербург, Новосибирск, Тбилиси, Киев,
Баку, Ташкент, Минск, Кишинев и др.) действуют оптические соединительные линии между АТС с цифровыми системами передачи ИКМ-120. Построен ряд зоновых линий внутриобластного назначения, например: С.-Петербург—Сосновый бор, Уфа—Стерлитамак, Тула—Щекино, Воронеж—Павловск, Рязань—Мосолово,
Майкоп—Краснодар, Клин—Солнечногорск, Ростов—Азов, Курская область,
Минск—Смолевичи, Рига—Юрмала и др. Построена одномодовая магистраль С.-
Петербург—Минск протяженностью 1000 км на большое число каналов.

В России с участием инофирм осуществляется строительство транссибирской линии (ТСЛ), которая свяжет Японию, Россию, Европу. Общее число каналов составит 30 000. Половина из них предназначена для России; в крупных городах, расположенных по трассе, часть этих каналов будет выделяться, вторая половина каналов пройдет транзитом на Европу.

Транссибирская линия после включения в мировую межнациональную сеть связи замкнет глобальное волоконно-оптическое кольцо, которое охватит четыре континента (Европа—Америка—Азия—Австралия) и пройдет через три океана (Атлантический, Тихий, Индийский).

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.18).

Рис. 18. 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 прцессы 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.19).

Рис.19. 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.

Страницы: 1, 2, 3