Доклад по волоконной оптике

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.

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

Страницы: 1, 2, 3