Ведение

Развитие телекоммуникационных сетей во всем мире в первую очередь основывается на использовании волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). На сегодняшний день в России на сетях связи различного назначения проложено около 100 000 км оптических кабелей связи.

Оптический кабель (ОК), основой которого являются оптические волокна (ОВ), считается в настоящее время самой совершенной направляющей системой как для телекоммуникационных магистралей большой протяженности, так и для локальных сетей передачи данных. Объясняется это тем, что ОК по своим характеристикам значительно превосходят электрические кабели.

Достоинства ВОЛС: малое затухание и дисперсия сигналов в ОВ позволяют довести длину ретрансляционного участка ВОЛС до 100 км и более. Широкая полоса пропускания дает возможность передавать по одному ОВ поток информации со скоростью в десятки гигабит в секунду. Высокая защищенность от несанкционированного доступа позволяет использовать ОК в системах, где предъявляются повышенные требования к информационной безопасности.

Оптические волокна невосприимчивы к внешним электромагнитным влияниям, так как в многоволоконных ОК не возникает проблемы взаимных помех, присущих электрическим кабелям. При одной и той же пропускной способности электрических кабелей и ОК последние имеют меньшие габариты и массу. ОВ изготавливают из широко распространенных и недорогих материалов (двуокись кремния, полимеры). В настоящее время стоимость кварцевого ОВ не превышает половины стоимости медной пары.

Недостаток современных ВОЛС - высокая стоимость интерфейсного и монтажного оборудования. Однако улучшение конструкции и повышение надежности оптических передатчиков, приемников и пассивных элементов линейного тракта позволяют постоянно снижать стоимость производства волоконно-оптической продукции, а совершенствование технологии монтажа ОК и соединительных элементов, а также упрощение используемого оборудования приводят к существенному уменьшению трудоемкости строительно-монтажных работ.

Началом масштабного применения оптических кабелей связи (ОКС) в России следует считать реализацию крупнейшим оператором связи России - ОАО «Ростелеком» - проекта трансроссийской линии связи, национальной цифровой транспортной линии международной и междугородной оптической связи. Примерно с 1996 г. развитие магистральной и внутризоновых сетей ведется с применением ОКС, на этих сетях практически полностью прекратилось применение медножильных кабелей связи при новом строительстве.

На начальном этапе внедрения ОКС их поставки осуществлялись зарубежными компаниями, российские кабельные заводы не могли составить им конкуренцию. К 2000 г. ситуация изменилась уже в пользу российских предприятий.

Дальнейшее развитие ВОЛС по мнению специалистов будет заключаться в разработке и внедрении в сетях ЕСЭ различного назначения новых волоконно-оптических технологий, направленных на повышение эффективности ВОЛС. На линиях дальней связи основное внимание по-прежнему будет уделяться, повышению скорости передачи информации, увеличению длины регенерационных участков и повышению надежности. Широкое распространение получат промежуточные оптические усилители и методы волнового (спектрального) мультиплексирования. Большие надежды возлагаются на использование среднего инфракрасного диапазона. Применение новых материалов (фтористых стекол и других соединений) позволило изготовить ОК с затуханием не более 0,01 дБ/км.

Доминирующей особенностью развития волоконно-оптических технологий в местных и локальных сетях будет приближение ОВ к конечному пользователю сети (абоненту). Рост потребности в новых видах информационного обслуживания абонентов, а также совершенствование и постоянное снижение стоимости аппаратуры и средств коммутационной техники готовят окончательный переход сетей доступа на ОВ. Ведущая роль в этом процессе принадлежит сети Internet.

Сегодня и в ближайшей перспективе нет альтернативы ВОЛС. Должна быть создана необходимая нормативная база, позволяющая строить и эффективно эксплуатировать надежные оптические линии передачи, а также выработаны стратегии преобразования сетей доступа, сельских сетей и стратегия развития подводных кабельных линий связи.

Глава 1. Основные положения передачи информации по волоконным световодам

1.1. Основные понятия и определения

В волоконно-оптических линиях связи информационные сигналы передаются по оптическим кабелям. Основным элементом ОК является волоконный световод - круглый стержень из оптически прозрачного диэлектрика, структура которого обеспечивает распространение вдоль него световых волн. Волоконные световоды из-за малых размеров поперечного сечения обычно называются оптическими волокнами.

Дуплексная связь осуществляется по двум волоконным световодам, каждый из которых предназначен для передачи сигнала в одном направлении (рис. 1.1).

ЭОП - преобразует электрический сигнал в световой (оптический) с помощью полупроводникового лазера (ПЛ) или cвстоизлучающего диода (СД).

ОЭП - преобразует оптический сигнал в электрический с помощью фотодиода (ФД).

ПК - преобразователь кода формирует требуемую последовательность импульсов (для синхронизации и помехозащищенности) и осуществляет согласование уровней по мощности между электрическими (ИКМ) и оптическими (ПЛ, СД, ФД) элементами схемы.

СУ - согласующее устройство формирует и согласует диаграммы направленности и апертуру между приемо-передающими устройствами и кабелями.

Обычно приемники и передатчики выполняют в виде модулей , содержащих преобразователи и согласующие устройства. Такие модули имеют размеры, со спичечную коробку, позволяющие подключить с одной стороны ИКМ, с другой ОК.

Из-за потерь в ОК через -100 км располагают линейные регенераторы (ЛР). В них оптический сигнал преобразуется в электрический, затем регенерируется и усиливается, после чего снова преобразуется в оптический (для передачи по кабелю).

Свет

Свет представляет собой один из видов электромагнитной энергии, носителем которой является электромагнитное поле, т.е. особый вид материи, оказывающий силовое воздействие на заряженные частицы и обладающий энергией, массой, скоростью. Поле отличается непрерывным распространением в пространстве (электромагнитные волны) и обнаруживает дискретность структуры (фотоны)-

Обычно свет представляется в виде волн, а электроны -в виде частиц. Однако современные физические исследования показали, что четкой границы между частицами и волнами не существует. Поведение, как частицы, так и волны может быть и корпускулярным, и волновым. В волоконной оптике свет рассматривают и как частицу, и как волну.

Строгое исследование процесса распространения световых волн в ОВ может быть выполнено лишь на основе уравнений электродинамики (уравнения Максвелла), т.е. методами волновой теории. Однако в тех случаях, когда длина волны излучения много меньше размеров поперечного сечения ОВ, для описания процесса распространения света можно пользоваться приближенными методами геометрической (лучевой) оптики, которые отличаются простотой и наглядностью.

Если же указанное условие не выполняется или законы геометрической оптики не позволяют получить правильные результаты, для исследования волновых явлений в ОВ, необходимо решать уравнение Максвелла, что требует применения аппарата математической физики.

Процесс распространения световых волн, когда это возможно, исследуется методами геометрической оптики, а в остальных случаях поясняется основными результатами волновой теории.

Показатель преломления

Показатели преломления п (величина безразмерная) выражается через отношение скорости света в вакууме с к скорости света в материале v:

п = c/v.

Показатели преломления различных веществ и скорости распространения света в них приведены в табл. 1.1:

В общем случае под скоростью света понимают скорость распространения электромагнитной энергии в вакууме. В других материалах (например, в стекле) свет распространяется с меньшей скоростью. При перемещении из одного материала в другой изменяется скорость распространения, что с точки зрения волновой теории, приводит к изменению направления движения. Отклонение света от прямого направления называется преломлением.

Показатель преломления, связанный с диэлектрической проницаемостью на высоких частотах, может быть выражен через относительные магнитную ε_a и относительную диэлектрическую г_а проницаемости. Фазовая скорость электромагнитных волн, распространяющихся в диэлектрической среде, определяется следующим выражением:

где µ₀ и ε₀ — соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемости свободного пространства. Поскольку магнитные эффекты в диэлектриках очень малы, то принимается, что µ _а = 1, а в результате получается следующее выражение для п:

Волоконный световод

Основным элементом волоконно-оптического кабеля (ВОК) является волоконный световод (ВС). Волоконный световод, или оптическое волокно (ОВ) по которому осуществляется передача микронных длин волн, что соответствует диапазону частот 10¹⁴, 10¹⁵ Гц. Оптическое волокно, как правило, имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления п₁, п ₂. где значение п равно

Среда с более высоким значением показателя преломления называется оптически более плотной средой. В волокне такой средой является сердцевина, выполняющая роль среды распространения света. Показатель преломления оболочки, окружающей сердцевину немного меньше, чем у сердцевины и за счет этого на границе «сердцевина-оболочка» происходит отражение света. На этом эффекте основана передача информации по волокну.

Сердцевина ОВ - это центральная область ОВ (рис. 1.2), через которую передастся основная часть оптической мощности сигнала. Диэлектрическим материалом для сердцевины и оболочки ОВ служит плавленый кварц (кварцевое стекло), чистый или с примесями

химических элементов и их соединений, небольшие пропорции которых способствуют изменению оптических свойств плавленого кварца должным образом. Плавленый кварц - это аморфное, прозрачное вещество с химической формулой двуокиси кремния SiO₂. Сердцевина и оболочка ОВ обладают разными оптическими характеристиками (показатели преломления n₁ и п₂). Если сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии, то оболочка - для создания лучших условий отражения на границе раздела сердцевина-оболочка, защиты сердцевины волокна от механических повреждений, а также для защиты от излучений энергии в окружающее пространство и поглощения нежелательного излучения извне. Оболочка оптического волокна имеет одно или несколько защитных покрытий.

Мода

Мода представляет собой математическое и физическое понятие, связанное с процессом распространения электромагнитных волн в среде. В своей математической формулировке модовая теория возникает из уравнений Максвелла и представляет собой возможное решение этих уравнений.

Свет по своей природе является электромагнитной волной, имеющей электрическую и магнитную составляющие. Обычно электрическая составляющая электромагнитной волны представляется в виде вектора Е (вектор напряженности электрического поля), а магнитная составляющая - в виде вектора Н (напряженности магнитного поля).

Различные комбинации этих векторов представляют собой типы волн, называемые модами. Таким образом, мода - это характерное распределение электромагнитного поля (тип волны), которая распространяется  в оптоволокне и  соответствует определенному типу колебаний или определенной траектории прохождения луча.

По волокну могут распространяться, как только одна мода -одномодовый режим, так и много мод - многомодовый режим. Многомодовый или одномодовый характер, идущего по волокну света, коренным образом влияет на дисперсию, а следовательно, и на пропускную способность волокна.

Число мод, допускаемых в ОВ, колеблется от 1 до 100000. Таким образом, ОВ позволяет свету распространяться по множеству траекторий, число который зависит от размера и свойств волокна.

Одномодовые и многомодовые волокна

Волоконные световоды (ВС) делятся на две группы: многомодовые и одномодовые (рис. 1.3). В конструктивном отношении они различаются диаметром сердцевины.

В одномодовом световоде диаметр сердцевины меньше или соизмерим с длиной волны (d ≤ λ) и по нему передается лишь один тип волны (мода). В многомодовых световодах диаметр сердцевины больше длины волны (d > λ) и по нему распространяется большое число волн.

Практически диаметр сердцевины световода составляет 8; 10 мкм у одномодовых и 50; 62,5 мкм у многомодовых световодов (рис. 1.3), диаметр оболочки - 125 мкм, диаметр волокна по защитному покрытию 250 мкм.

Профили показателя преломления

По профилю показателя преломления (ППП), т.е. по закону изменения коэффициента преломления вдоль радиуса сердцевины различают ступенчатые и градиентные (сглаженные) ОВ (рис. 1.4).

В ступенчатых ВС показатель преломления в сердцевине постоянен и имеется резкий переход от n₁ сердцевины к п₂ оболочки.

Градиентные ВС имеют непрерывное плавное изменение показателя преломления в сердцевине по радиусу световода от центра к периферии.

По своему профилю, одномодовыс световоды более разнообразны: есть ступенчатого профиля, есть условно W-образного или двухступенчатого (с так называемой депрессированной двойной оболочкой и с тремя показателями преломления n₁ > п₂ > п₃, например n₁ = 1,51; п₂= 1.49 и п₃ = 1,50) и наконец, треугольного (рис 1.5).

Как видно на рис 1.6 в ступенчатом многомодовом световоде лучи резко отражаются от границы сердцевина- оболочка. При этом пути следования различных лучей различны, и поэтому они приходят к концу линии со сдвигом во времени, что приводит к искажению передаваемого сигнала (дисперсии).

В градиентных световодах лучи распространяются по волнообразным траекториям, поэтому искажений меньше.

В наилучших условиях находится одномодовая передача, так как здесь распространяется лишь один луч.

Принцип действия волоконных световодов

В световоде где границей раздела сердцевина - оболочка являются прозрачные стекла, возможно, не только отражение оптического луча, но и проникновение его в оболочку. Для предотвращения перехода энергии в оболочку и излучения в окружающее пространство необходимо соблюдать условия полного внутреннего отражения.

Известно, что при переходе из среды с большей плотностью в среду с меньшей плотностью, т.е. при n₁ > п₂, волна при определенном угле падения полностью отражается и не переходит в другую среду. Угол падения, начиная с которого вся энергия отражается от границы раздела сред, т.е. φ _п = θ_В называется углом полного внутреннего отражения. Этот угол определяется из соотношения:

1.2. Основы геометрической оптики

Геометрическая оптика предполагает, что свет состоит из лучей, распространяющихся от источника по прямым линиям в стекле, воде, воздухе или вакууме.

Световые волны (моды) изображаются лучами, которые отражаются и преломляются на границах раздела сред с разными оптическими свойствами.

Как известно, луч света при падении на границу раздела двух сред делится на отраженный и преломленный (рис. 1.7).

Согласно закону отражения луч света, который падает на границу раздела двух сред, отражается под тем же самым углом φ_отр к нормали (перпендикуляру к границе), что и угол падения φ_п, к поверхности, т.е. φ_отр= φ_п.

Согласно закону Снеллиуса (закон преломления) лучи света, падающие на границу раздела двух сред, имеют углы преломления, отличные от углов падения к нормали границы этих сред. Связь этих углов определяется выражением:

где n₁ и п₂ - показатели преломления первой и второй сред, соответственно.

Особый интерес для волоконной оптики представляет тот факт, что показатель преломления стекла может изменяться в зависимости от его состава. Количество отраженного света от границы двух сред зависит от их показателей преломления. Если излучение видимой области спектра падает на границу раздела двух сред и переходит из оптически более плотной среды n₁ на оптически менее плотную п₂ (п₂меньше n₁) и угол падения увеличивается, то угол преломления приближается к 90°.

Увеличивая угол падения, можно добиться такого состояния, при котором преломленный луч будет располагаться вдоль границы сред, не переходя в другую среду. Угол падения при этом называется критическим углом (φ_кр) полного внутреннего отражения, т.е. угол падения, при котором угол преломления равен 90°, называется критическим углом. Если угол падения больше критического, то свет полностью отражается в исходную среду, не проникая в другой материал. При этом имеет место только отражение, а преломление отсутствует, что приводит к полному внутреннему отражению, т.е. при φ_1пр= 90°

На этом явлении основан принцип передачи оптического излучения по волоконным световодам.

Рассмотрим отражение света при угле падения, равном 90°. Даже, когда свет проходит в более плотную среду, некоторая его часть отражается в исходную среду. Этот эффект получил название отражение Френеля. Чем больше разница показателей преломления сред, тем большая доля света отражается назад. Показатель френелевского отражения на границе с воздухом:

Примером последствий отражения Френеля могут служить потери на вводе и выводе оптического излучения в волоконный световод.

Для света, падающего из воздуха на границу стекла (с п = 1,5 для стекла), потери от френелевского отражения равны примерно 0,17 дБ. Это значение зависит от состава стекла. Поскольку такого рода потери происходят как при входе света в стекло, так и при выходе из него, то потери на соединении двух стекол составляют 0,34 дБ.

1.3. Анализ лучевого распространения света в волоконных световодах

В геометрической оптике световые волны изображаются лучами, направленными по нормали к волновой поверхности. При падении световой волны на плоскую границу раздела двух диэлектриков с разными значениями относительной диэлектрической проницаемости г в общем случае наблюдается прошедшая (преломленная) и отраженная волны.

В соответствии с законом Снеллиуса угол падения связан с углами отражения и преломления с помощью равенства п = φ_отр. Поскольку в оптических средах отношение магнитной проницаемости µ к магнитной проницаемости вакуума (µ₀) принимается равным единице, то п₁= ε₁, а п₂= ε_2.  В ОВ среда сердцевины более плотная, чем среда оболочки, т.е. n₁  > п₂, поэтому при угле падения φ_п > φ_кр свет полностью отражается от границы сердцевина-оболочка и распространяется только в сердцевине волокна. Как известно, критический угол падения света определяется выражением:

Поток энергии из первой среды во вторую в среднем равен нулю, и энергия падающей электромагнитной волны полностью возвращается в первую среду.

В качестве примера рассмотрим ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления. Ступенчатое оптическое волокно представляет собой двухслойную стеклянную нить, сердцевина которой изготовлена из стекла с показателем преломления n₁.  диаметром 2а = (3...50) мкм, а оболочка имеет показатель преломления п₂ и диаметр 1Ъ = 125 мкм. Для обеспечения полного внутреннего отражения на границе раздела необходимо, чтобы n₁ > п₂. Поверх оболочки накладывается защитное покрытие с показателем преломления п₃ < п₂.

На рис. 1.8 световые лучи, описывающие однородные плоские волны, пучком исходят от точечного источника, расположенного на оси волокна. На торце ОВ этот пучок лучей преобразуется в два типа лучей волокна: меридиональные, которые пересекают ось волокна, и косые, которые не пересекают эту ось. На рисунке представлена траектория прохождения косого луча в ступенчатом ОВ.

Часть меридиональных и косых лучей, испытывая полное внутреннее отражение в местах падения на границу сердцевина-оболочка, распространяется зигзагообразно вдоль ОВ.

Рассмотрим ход меридиональных лучей, падающих на входной торец ОВ и распространяющихся затем вдоль волокна. В зависимости от угла наклона луча к оси Z меридиональные лучи, лежащие в плоскости рисунка, могут испытывать полное внутреннее отражение на границе сердечник-оболочка, если θ₁<arccos(n₂/n₁). При этом образуются моды сердечника 1, или направляемые моды. Если луч падает под углом arccos (n₂/n₁). < θ₁ < arccos (n₃/n₁), то он может сформировать моду оболочки 2.

Световые лучи, падающие под углом θ₁<arccos(n₂/n₁), излучаются в открытое пространство, т.е. в защитную оболочку, образуя вытекающие моды, или моды излучения 3.

Луч, падающий на торец волокна из окружающей среды под углом θ₀  к оси волокна, преломляется при вхождении в сердцевину и распространяется в ней под углом 0] в соответствии с законом Снеллиуса.

При этом преломленный луч падает на боковую поверхность под углом φ₁= (π/2) – θ₁. Для полного внутреннего отражения лучей от боковой поверхности необходимо, чтобы φ₁ ≥ φ_кр., где критический угол падения φ_кр определяется выражением φ_кр = arc sin n₂/n₁. Следовательно, sin φ₁ = cos θ₁≥ п₂1п.

Из этого следует, что

Таким образом, если выполняется условие, то любой меридиональный луч распространяется вдоль сердцевины волокна. Это условие справедливо и для косых лучей.

На рис. 1.9. представлена конструкция волокна в оболочке с защитным покрытием, в котором оптическое излучение распространяется при выполнении условия n₁ > n₂ > n₃. Соотношение между n₁ и n₂ принято характеризовать относительной разностью

которая для большинства ОВ составляет 10²...10³. Показатель преломления оболочки имеет постоянное значение, а сердцевины - либо постоянное, либо изменяющееся по радиусу по определенному закону.

Наличие оптической оболочки усложняет волновой процесс в ОВ. Часть меридиональных и косых лучей, многократно отражаясь от границы сердцевина - оболочка, распространяется вдоль сердцевины и образует моды сердцевины (направляемые моды). Остальные лучи, которые падают на эту границу под углами φ_п < φ_кр уходят из сердцевины наружу.

Лучи, покинувшие сердцевину, образуют моды излучения. Некоторые из них распространяются в оболочке за счет полного внутреннего отражения от границы оболочка - окружающая среда и образуют моды оболочки.

Если защитное покрытие ОВ выполнено из сильно поглощающего материала, то оно устраняет перекрестные помехи между ОВ в оптическом кабеле, обусловленные модами излучения. Кроме того, защитное покрытие рассеивает энергию мод оболочки аналогично направляемым модам диэлектрического стержня. Как отмечалось выше, поле направляемых мод частично проникает в окружающую среду, где экспоненциально убывает, при этом глубина проникновения в оболочку ОВ, т.е. расстояние, на котором это поле убывает в е раз (е = 2,718).

Числовая апертура

Числовой апертурой (численной апертурой, N_{numeric aperture} NA) называется способность волокна собирать лучи.

где θ - половина угла ввода.

Режим полного внутреннего отражения предопределяет условие подачи света на входной торец волоконного световода. Из рис.1.10 видно, что световод пропускает лишь свет, заключенный в пределах телесного угла θ_A, величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения θ_В. Телесный угол θ_A характеризуется апертурой.

Апертура - это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения.

Обычно пользуются понятием числовой апертуры:

где п₀ n₁ n₂  - показатели преломления воздуха, сердечника, оболочки оответственно. Имея в виду, что для воздуха n₀ = 1, получим

Как видно из рис. 1.10 между углом полного внутреннего отражения θ_B и апертурным углом падения луча 0_Л имеется взаимосвязь.

Чем больше угол θ_В, тем меньше апертура волокна θ_A. Для ступенчатых ОВ, используемых в системах связи, числовая апертура обычно равна 0,18...0,23. и лишь у отдельных типов ОВ она может быть в диапазоне 0,4.. .0,55, NA - безразмерная величина, 6л= (11,5...17) градусов.

Фирмы-изготовители волокна экспериментально измеряют угол θ_A и указывают соответствующее значение числовой апертуры для каждого поставляемого типа волокна в его паспорте.

Симметричные моды подразделяются на два класса:

1) электрические или E-моды, у которых E_z ≠ 0, H_z= 0;

2) магнитные или H-моды, у которых Е_г = 0, H_z ≠ 0.

У несимметричных мод E_z ≠ 0 и H_z ≠ 0, т.е. это смешанные (гибридные) моды.

В зависимости от того, какая из продольных составляющих поля преобладает, смешанные моды также подразделяются на два класса: HE-моды и EH-моды.

Особенность структуры электромагнитного поля направляемых мод характеризуется индексами т и п (т = 0,1,2,...; п = 1,2,3,...): т определяет зависимость поля от азимутального угла φ, a n – изменение поля вдоль радиуса. Соответствующие обозначения мод:

Е_0n, Н_0n, НЕ _mn , НE_mn.

Число направляемых мод N определяется структурными параметрами ОВ (n₁, n ₂, а) и длиной волны применяемого излучения:

Величина V мазывается нормированной частотой.

Критическая частота

Изменение V, т.е. изменение соотношения между структурными параметрами и длиной волны, приводит к изменению числа направляемых мод. Появление или исчезновение каждой новой моды происходит лишь при строго определенных значениях нормированной частоты, которые называются критическими и обозначаются V_mn.

Каждой моде соответствует свое строго определенное значение Vmn, т.е  условие

определяет границу (соотношение между П\, п₂, а и X) появления или исчезновения этой направляемой моды. В представлениях геометрической оптики данное условие соответствует условию φ  = φ _кр для лучей, образующих моду. При V > V_mn (φ > φ _кр) лучи претерпевают полное внутреннее отражение и распространяются вдоль сердцевины, а при V < V_mn (φ < φ _кр) лучи преломляются в оболочку и мода исчезает.

В табл. 1.2 приведены критические значения нормированной частоты V_mn для некоторых симметричных и несимметричных направляемых мод. Из этой таблицы видно, что особое положение среди направляемых мод занимает мода Ян, у которой критическое значение нормированной частоты V₁₁= 0.

Поскольку всегда выполняется условие V > V₁₁, мода существует и распространяется при любой длине волны и структурных параметрах ОВ.

Эта мода называется основной или фундаментальной. Очевидно, что основная мода образуется лучом, направленным вдоль оси ОВ, поскольку характеристики распространения только осевого луча не зависят от условий отражения на границе сердцевина -оболочка. В отличие от основной все другие направляемые моды называются высшими.

Наибольший практический интерес представляет одномодовый режим работы ОВ, т.е. режим, при котором в ОВ распространяется только основная мода Н₁₁. Условие одномодового режима имеет следующий вид:

Азимутальная симметрия ОВ приводит к поляризационному вырождению основной моды, т.е. в ОВ всегда распространяются не одна, а две основные моды, с одинаковой структурой поля и характеристиками распространения, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны. Любое нарушение азимутальной симметрии (например, эллиптичность сердцевины) приводит к появлению двойного лучепреломления или модовой поляризационной дисперсии.

Фазовые скорости направляемых мод при строгом электродинамическом анализе определяются в результате решения весьма сложных трансцендентных уравнений. На рис. 1.13 представлены результаты расчетов частотных зависимостей фазовых скоростей vф - ω/ β (ω - угловая частота, β - коэффициент фазы направляемой моды) основной и нескольких высших мод. Эти дисперсионные кривые начинаются при с/ v_ф = п₂ в точках на оси абсцисс, соответствующих критическим значениям нормированной частоты (см. табл. 1.2).

С увеличением v фазовые скорости уменьшаются, но всегда находятся в пределах

где с - скорость света.

Такой характер изменения фазовой скорости всех направляемых мод (кроме основной) можно объяснить. При уменьшении V до критического значения V_mn любой направляемой моды растет, т.е. поле этой моды полностью перераспределяется в оболочку. При этом фазовая скорость моды определяется параметрами оболочки v_ф = с/ n₂.

При увеличении V по сравнению с V _mn уменьшается, поле моды все больше концентрируется в сердцевине и фазовая скорость стремится к значению v_ф = с! n₁.

Необходимый радиус сердцевины для одномодового режима ОВ зависит от соотношения между n₁ и n₂ чем меньше разность Δ n = n₁- n ₂, тем больше радиус а. Поскольку трудности, связанные с изготовлением ОВ и вводом в него оптического излучения источника возрастают с уменьшением радиуса сердцевины, целесообразно максимально уменьшить Δn. У типичных одномодовых ОВ Δn ≈ 0,003. Дальнейшее уменьшение Δn практически трудно осуществить.

Длина волны отсечки

При заданных структурных параметрах ОВ можно определить длину волны отсечки (минимальной длины волны применяемого излучения, при которой ОВ является одномодовым):

Если рабочая длина волны меньше длины волны отсечки (λ < λ_с), ОВ становится многомодовым.

При деформации ОВ в местах изгибов для лучей, образующих направляемые моды (кроме основной), могут нарушаться условия полного внутреннего отражения, и некоторые моды исчезают. Это означает, что в оптических кабелях и гибких соединительных шнурах длина волны отсечки несколько смещается в сторону коротких волн.

Электродинамический анализ показывает, что поле основной моды проникает в оболочку на значительную глубину. В результате в одномодовом ОВ большая часть оптической мощности распространяется в оболочке. Поэтому для него вводится термин диаметр модового поля (пятна), который определяет ту часть поперечного сечения ОВ, через которую проходит практически вся оптическая мощность. Как показывают расчеты, диаметр модового поля на 10... 12 % больше диаметра сердцевины.

Глава 2. Параметры оптических волокон

Оптическое волокно характеризуется тремя основными параметрами передачи: затуханием, дисперсией и шириной полосы пропускания. Эти параметры определяют возможности практического использования оптического кабеля и прежде всего максимальное расстояние, на которое можно передавать сигналы без промежуточных регенераторов или усилителей.

2.1. Параметры передачи оптических волокон

К параметрам передачи оптического волокна относятся:

- коэффициент затухания;

-дисперсия;

- ширина полосы пропускания.

2.1.1. Коэффициент затухания оптического сигнала

Затухание сигналов в ОК обусловлено собственными потерями мощности в изолированных прямолинейных ОВ и дополнительными (кабельными) потерями, возникающими в результате сборки ОВ в кабель. Таким образом, коэффициент затухания ОВ в кабеле

Собственные потери

Собственные потери мощности определяются в основном двумя факторами: поглощением энергии в материале ОВ и рассеянием энергии в окружающем пространстве. Потери на поглощение состоят из потерь в самом материале (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение) и потерь, связанных с поглощением света на примесях.

Примесные центры, в зависимости от типа примеси поглощают свет на определенных, присущих каждой примеси, длинах волн. Даже ничтожные концентрации примесей приводят к появлению пиков на кривой потерь. Наиболее заметное поглощение соответствует примесям ОН (ионы гидроксильных групп). Соответствующий водный пик в районе λ = 1,39 мкм присутствует у всех современных ОВ, изготовленных по промышленной технологии. Область спектра в районе этого пика ввиду больших потерь практически не используется.

Собственные потери на поглощение быстро растут в инфракрасной области.

При λ> 1.8 мкм обычное кварцевое ОВ становится непрозрачным.

Потери на рассеяние вызываются микроскопическими неоднородностями, которые неизбежно появляются во время изготовления ОБ. Свет, падая на такие неоднородности, отражается во всех направлениях. Эти потери называются рэлеевским рассеянием и зависят от длины волны по закону λ^-4.

Как видно из рис. 2.2, в длинноволновой области спектра 1,3…1,6 мкм два минимума потерь (окна прозрачности). По сравнению с длиной волны λ = 0,85 мкм, которая первой начала использоваться в ВОСП, собственные потери при λ = 1,3 мкм уменьшаются примерно в 3 раза, а при λ = 1,55 мкм в 8-10 раз.

До последнего времени под окнами прозрачности обычно понимались узкие области спектральной кривой собственных потерь в окрестностях минимумов λ = 0,85 мкм (1-е окно), λ — 1,3 мкм (2-е окно) λ = 1,55 мкм (3-е окно). Однако создание ОВ, в которых отсутствует водный пик, вызвало необходимость пересмотреть вопрос определения окон прозрачности. Сейчас 2-е окно - это область λ=1,280...1,325 мкм, 3-е окно - λ= 1,529...1,565 мкм, 4-е окно – λ =1,565...1,620 мкм и 5-е окно - λ=l,325... 1.450 мкм. В характеристиках ОВ  обычно указывается рабочий диапазон (окно прозрачности), для которого оно предназначено.

Дополнительные (кабельные) потери

Дополнительные (кабельные) потери мощности возникают в результате наложения на ОВ защитного полимерного покрытия и деформации ОВ при сборке ОК.

Защитное покрытие, как указывалось выше, предназначено для повышения механической надежности ОВ и уменьшения взаимных (перекрестных) помех между ними при плотной укладке в ОК. Чем больше толщина оболочки ОВ, тем меньше поле направляемых мод на ее внешней границе с покрытием и, следовательно, меньше дополнительные потери в защитном покрытии. С другой стороны, увеличение толщины оболочки приводит к ухудшению гибкости ОВ и увеличению его стоимости. Поэтому обычно у многомодовых ОВ диаметр оболочки выбирается в 2,0...2,5 раза больше диаметра сердцевины. При этом потери в защитном покрытии не превышают 0,1 дБ/км. У одномодовых ОВ соотношение между указанными параметрами иное. Поскольку поле основной моды проникает в оболочку на значительную глубину, для обеспечения малой величины потерь в покрытии толщина оболочки должна в 10 и более раз превышать радиус сердцевины.

Деформация ОВ при изготовлении кабеля (микроизгибы, скрутка, сжатие) является другой причиной появления дополнительных потерь. При соответствующем выборе кабельных материалов, конструкции и технологии изготовления ОК эти потери в многомодовых и одномодовых ОВ составляют не больше 20 % от полных потерь.

Дополнительные потери мощности практически постоянны в диапазоне длин волн 0,8... 1,7 мкм.

При строительстве и эксплуатации оптических кабельных линий возможно появление так называемых эксплуатационных потерь. Прежде всего эти потери связаны с макроизгибами ОВ (радиус изгиба >> 1 мм), которые неизбежно возникают при прокладке ОК. Другая причина - постепенное увеличение собственных потерь ОВ.

Потери на макроизгибах обусловлены преобразованием направляемых мод в моды излучения (см. рис. 2.16). Они резко возрастают и становятся недопустимо большими, как только радиус изгиба уменьшается до критического значения, которое для типичных ОВ составляет несколько сантиметров. Поэтому при проектировании ОК необходимо предусматривать конструктивные элементы, ограничивающие до необходимых пределов радиус изгиба.

Основной причиной постепенного увеличения собственных потерь ОВ является влага, проникающая в ОК. Под ее действием происходит помутнение стекла и образование микротрещин. Для защиты от влаги применяют влагозащитные оболочки и гидрофобное заполнение.

2.1.2. Дисперсия оптического сигнала

Наряду с коэффициентом затухания ОВ важнейшим параметром является дисперсия, которая определяет его пропускную способность для передачи информации.

Дисперсия - это рассеивание во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, которое приводит к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространении его по ОВ (рис. 2.5.) и определяется разностью квадратов длительностей импульсов на выходе и входе ОВ:

где значения τ_вых и τ_вх определяются на уровне половины амплитуды импульсов (рис. 2.15).

Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон ОВ, но существенно снижает дальность передачи сигналов, так как чем длин нее линия, тем больше увеличение длительности импульсов.

Дисперсия в общем случае определяется тремя основными факторами: различием скоростей распространения направляемых мод, направляющими свойствами оптического волокна и параметрами материала, из которого оно изготовлено. В связи с этим основными причинами возникновения дисперсии являются, с одной стороны, большое число мод в ОВ (межмодовая дисперсия), а с другой стороны - некогерентность источников излучения, реально работающих в спектре длин волн Δλ., (хроматическая дисперсия).

Межмодовая (модовая) дисперсия

Межмодовая (модовая) дисперсия преобладает в многомодовых ОВ. Она обусловлена .наличием большого количества мод, время распространения которых различно. Для ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны λ одинакова и равна:

где с - скорость света, км/с.

В этом случае все лучи, падающие на торец ОВ под углами к его оси в пределах апертурного угла θ_А, движутся в сердцевине волокна по своим зигзагообразным линиям и при одинаковой скорости распространения достигают приемного конца в разное время, что естественно, приводит к увеличению длительности принимаемого импульса (рис. 2.5.). Все лучи, падающие на торец ОВ под углами к его оси в пределах θ₀<θ_n<θ_А, достигают приемного устройства с некоторым временным сдвигом, что, естественно, приводит к увеличению длительности принимаемого импульса. Межмодовая дисперсия градиентных ОВ, как правило, на порядок и значительно ниже, чем у ступенчатых волокон. Это обусловлено тем, что за счет уменьшения показателя преломления от оси ОВ к оболочке скорость распространения лучей вдоль их траекторий изменяется - так, на траекториях, близких к оси, она меньше, а на удаленных, естественно, - больше. Следовательно, лучи, распространяющиеся кратчайшими траекториями (ближе к оси), обладают меньшей скоростью, а лучи, распространяющиеся по более протяженным траекториям, имеют большую скорость. В результате время распространения лучей выравнивается и увеличение длительности импульса становится меньше.

Расширение импульса из-за модовой дисперсии характеризуется временем нарастания сигнала и определяется как разность между самым большим и самым малым временем прихода лучей в сечение световода на расстоянии L от начала.

Согласно законам геометрической оптики время распространения луча в ступенчатом многомодовом ОВ зависит от угла падения θ_n определяется выражением:

где L - длина световода, км; n₁, - показатель преломления сердцевины ОВ; с - скорость света, км/с.

Так как минимальное время распространения оптического луча имеет место при θ_n= 0, а максимальное при θ_n = θ_кр, соответствующие им значения времени распространения можно записать:

откуда значение межмодовой дисперсии равно:

где т_мм - межмодовая дисперсия, пс.

Из последнего выражения следует, что межмодовая дисперсия возрастает с увеличением длины волокна. Однако это справедливо только для идеального волокна, в котором взаимодействие между модами отсутствует.

В реальных условиях наличие неоднородностей, кручение и изгиб волокна приводят к постоянным переходам энергии из одних мод в другие, т.е. к взаимодействию мод, в связи с чем дисперсия становится пропорциональной L. Это влияние проявляется не сразу, а после определенного расстояния прохождения световой волны, которое носит название длины установившейся связи мод и принимается равным 5 - 7 км для ступенчатого волокна и 10 - 15 км - для градиентного. Оно установлено эмпирическим путем.

В градиентных многомодовых волокнах время распространения оптических лучей определяется законом изменения показателя преломления и при определенных условиях выравнивается, что, естественно, уменьшает дисперсию. Так, при параболическом профиле показателя преломления, когда показатель степени в выражении принимает значение и = 2,

Наименьший разброс групповых задержек из всех ППП, получается при показателе степени и = и_опт, т.е. при н_опт=2(1-Δ). При этом τ_мод  достигает минимального значения (рис. 2.6), равного

Из этого рисунка τ _мод может быть представлено в виде:

Характер кривой на рисунке свидетельствует, что для минимизации дисперсии необходимо тщательно управлять значением и, что на практике оказывается нелегким делом. А всякое изменение профиля, приближающееся к параболическому, существенно уменьшает модовую дисперсию в таком градиентном ОВ.

При анализе выражений и становится очевидным, что межмодовая дисперсия градиентного ОВ в Δ /2 раз меньше, чем у ступенчатого при одинаковых значениях Δ. А так как обычно Δ ≈ 1%, то межмодовые дисперсии указанных ОВ могут отличаться на два порядка.

Дисперсионные свойства различных типов ОВ, выпускаемых по рекомендациям ITU-TG.651 и G.652, приведены в табл. 2.2. В ступенчатых световодах при многомодовой передаче доминирует модовая Дисперсия и она достигает больших значений (20 - 50 нс/км).

Модовая дисперсия может быть уменьшена следующими тремя способами:

- использованием ОВ меньшим диаметром сердцевины, поддерживающей меньшее количество мод. Например, серцевина диаметром 100 мкм поддерживает меньшее число мод, чем сердцевина в 200 мкм;

- использованием волокна со сглаженным ППП, чтобы световые лучи, прошедшие по более длинным траекториям, имели скорость, превышающую среднюю, и достигали противоположного конца волокна в тот же момент времени, что и лучи, движущиеся по коротким траекториям;

- использованием одномодового волокна, позволяющего избежать модовой дисперсии.

Э одномодовых ступенчатых световодах отсутствует модовая дисперсия и дисперсия в целом сказывается существенно меньше. Здесь проявляется хроматическая дисперсия.

Хроматическая дисперсия

Зависимость фазовой (групповой) скорости каждой направляемой моды от длины волны X источника излучения, то есть нелинейная зависимость коэффициента фазы р(Х), приводит к различной временной задержке частотных составляющих моды, а следовательно, к расширению сигнала, образованного модами. Это явление называется хроматической (частотной) дисперсией. Чем шире спектр излучения источника Д X, тем больше хроматическая дисперсия.

Нелинейность зависимости р(Х.) обусловлена как направляющими свойствами ОВ (см. рис. 1.11), так и зависимостью показателя преломления сердцевины и оболочки ОВ от длины полны X. В связи с этим хроматическая дисперсия складывается из внутримодовой (волноводной) дисперсией и дисперсией материала.

Внутримодовая (волноводная) дисперсия обусловлена процессами внутри моды. Она характеризуется направляющими свойствами сердцевины ОВ, а именно: зависимостью групповой скорости моды от длины волны оптического излучения, что приводит к различию скоростей распространения частотных составляющих излучаемого спектра. Поэтому внутримодовая дисперсия, в первую очередь, определяется профилем показателя преломления ОВ и пропорциональна ширине спектра излучения источника Δλ, т.е.

где В (λ) - удельная внутримодовая дисперсия.

При отсутствии значений 5(1) оценка т_вв характеризуется выражением:

где Δλ – ширина спектральной линии источника излучения, равная 1 – 3  нм для лазера и 20 - 40 нм для светоизлучающего диода; L -длина линии, км;  с - скорость света, км/с.

Материальная дисперсия

Материальная дисперсия в ОВ обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны. В реальном ОВ распространение волн дисперсионно, т.е. скорость распространения зависит от частоты (длины волны). Различные длины волн (цвета) также движутся с различными скоростями по волокну, даже в одной и той же моде. Ранее мы видели, что показатель преломления равен п = c/v.

Поскольку каждая длина волны движется с разной скоростью, то величина скорости v в этом уравнении изменяется для каждой длины волны.

Таким образом, показатель преломления изменяется в зависимости от длины волны. Дисперсия, связанная с этим явлением, называется материальной (молекулярной) дисперсией, поскольку зависит от физических свойств вещества волокна.

Уровень дисперсии зависит от диапазона длин волн света, инжектируемого в волокно (как правило, источник излучает несколько, длин волн), а также от центральной рабочей длины волны источника. В области 850 нм более длинные волны (более красные) движутся быстрее по сравнению с более короткими (более голубыми) длинами волн. Волны длиной 860 нм движутся быстрее по стеклянному волокну, чем волны длиной 850 нм. В области 1550 нм ситуация меняется: более короткие волны движутся быстрее по сравнению с более длинными; волна 1560 нм движется медленнее, чем волна 1540 нм.

В некоторой точке спектра происходит совпадение, при этом более голубые и более красные длины волн движутся с одной и той же скоростью. Это совпадение скоростей происходит в области 1300 нм, называемой длиной волны с нулевой дисперсией (рис. 2.7). Длина стрелок соответствует скорости длин волн; следовательно, более длинная стрелка соответствует более быстрому движению.

Типичная картина удельной волноводной В(λ) и материальной М(λ) дисперсии вещества одномодового волокна приведена на рис. 2.8.

На длине волны 1300 нм М(к) равна нулю. В области длин волн выше 1300 нм она отрицательна - волны отстают и прибывают позднее. В области менее 1300 нм волны опережают и прибывают раньше.

Поляризационная модовая дисперсия

Поляризационная модовая дисперсия т_пмд возникает вследствие разной скорости распространения двух взаимоперпендикулярных поляризаций основной моды ОВ. Для оценки этого вида дисперсии используется выражение:

где К_пмд - коэффициент удельной поляризационной модовой дисперсии.

По определению поляризационная модовая дисперсия проявляется исключительно в одномодовых волокнах с нециркулярной (эллиптической) сердцевиной и при определенных условиях становится соизмеримой с хроматической дисперсией. Эти условия проявляются тогда, когда используется передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4 Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения 0,1 нм и меньше.

Поляризационной дисперсии можно дать следующее пояснение. В ООВ распространяется не одна мода, а две фундаментальные моды - две взаимно перпендикулярные поляризации входного сигнала. В идеальном, т.е. однородном по геометрии, волокне две моды распространяются с одинаковой скоростью. Однако реальные ОВ имеют нсидеальные геометрические размеры, что приводит к разным скоростям распространения этих двух мод с разными состояниями поляризации и, как следствие, к появлению поляризационной модовой дисперсии.

Поэтому результирующая дисперсия одномодового волокна должна определяться в соответствии с выражением:

В обычных условиях работы ООВ поляризационная модовая дисперсия достаточно мала и поэтому при расчетах полной дисперсии ею можно пренебречь.

В многомодовых ОВ волноводная дисперсия мала по величине, поэтому при определении полной дисперсии ею пренебрегают. В таких ОВ со ступенчатым ППП τ_мод доминирует над τ_мат а с градиентным ППП определяющей становится материальная дисперсия. Последнее связано с тем. что т_мод в градиентных MOB уменьшается за счет выравнивания времени распространения различных мод. Исходя из этого в общем виде полная дисперсия в MOB может быть представлена выражением:

В одномодовых OB модовая дисперсия отсутствует, так как по таким волокнам распространяется только одна мода НЕ₁₁ или, как отмечалось ранее, две моды в двух разных состояниях поляризации, но с одной дисперсионной зависимостью фазового коэффициента β(λ). Другими словами, расширение импульсов в ООВ определяется хроматической дисперсией в пределах этой моды. Тогда полная дисперсия в ООВ может быть представлена в общем, виде выражением:

Сравнивая дисперсионные характеристики различных волокон, можно отметить, что наилучшими показателями обладают одномодовые ОВ, а наиболее сильно дисперсия проявляется в многомодовых ОВ со ступенчатым ППП.

Классификация волокон по характеристике дисперсии

С точки зрения дисперсии, существующие одномодовые волокна, широко используемые в сетях сегодня, можно разбить на три основных типа:

- волокна с несмещенной дисперсией SF (стандартные волокна со ступенчатым профилем);

- волокна со смещенной дисперсией DSF (рис.2.10);

- волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF.

Все три типа волокон очень близки по затуханию в окнах одномодовой передачи 1310 и 1550 нм, но отличаются характеристика ми хроматической дисперсии. Поскольку дисперсия влияет на максимально допустимую длину безретрансляционных участков, то, на первый взгляд, естественно, возникает желание выбрать волокно с наименьшим возможным значением дисперсии применительно к конкретной задаче, к конкретной длине волны. Это справедливо для случая передачи волны одной длины - одноканальной передачи. Многоканальное волновое мультиплексирование (WDM) в окне 1550 нм диктует иной подход к выбору ОВ. Исследования показывают, что, когда длина волны нулевой дисперсии попадает в зону

мультиплексного сигнала, начинают проявляться нежелательные интерференционные эффекты, приводящие к более быстрой деградации сигнала.

Волокно SF. В начале 1980-х годов передатчики на длине волны 1550 нм имели очень высокую цену и низкую надежность и не могли конкурировать на рынке с передатчиками на длине волны 1300 нм. Поэтому стандартное ступенчатое волокно SF стало первым коммерческим волокном и сейчас наиболее широко распространено в телекоммуникационных сетях. Оно оптимально по дисперсии для работы в окне 1310 нм, хотя и дает меньшее затухание в окне 1550 нм.

Волокно DSF. По мере совершенствования систем передачи на длине волны 1550 нм встала задача разработки волокна с длиной волны нулевой дисперсии, попадающей внутрь этого окна. В середине 1980-х годов было создано волокно со смещенной дисперсией DSF, полностью оптимизированное для работы в окне 1550 нм как по затуханию, так и по дисперсии. На протяжении многих лет волокно DSF считается самым перспективным. С приходом новых технологий передачи мультиплексированного оптического сигнала большую роль начинают играть эрбиевые оптические усилители типа EDFA, способные усиливать многоканальный сигнал. К сожалению более поздние исследования (в начале 1990-х годов) показывают, что именно длина волны нулевой дисперсии (1550 нм), попадающая внутрь рабочего диапазона эрбиевого усилителя, является главным потенциальным источников нелинейных эффектов (прежде всего четырехволнового смешивания), которые проявляются в резком возрастании шума при распространении многоканального сигнала.

Дальнейшие исследования подтверждают ограниченные возможности DSF при использовании в системах WDM. Чтобы избежать нелинейных эффектов при использовании DSF в WDM системах, следует вводить сигнал меньшей мощности в волокно, увеличивать расстояние между каналами и избегать передачи парных каналов.

Четырехволновое смешивание - это эффект, приводящий к рассеянию двух волн с образованием новых нежелательных длин волн. Новые волны могут приводить к деградации распространяемого оптического сигнала, интерферируя с ним, или перекачивать мощность из полезного волнового канала. Именно из-за эффекта четырехволнового смешивания стало ясно, что необходимо разработать новый тип волокна, в котором λ₀ располагалось бы левее или правее всех возможных каналов.

Волокно NZDSF, созданное в начале 1990-х годов, лишено недостатков волокна DSF и известно как смещенное волокно. Особенность его состоит в том, что длина волны нулевой дисперсии вынесена за пределы полосы пропускания эрбия. Это уменьшает нелинейные эффекты и увеличивает характеристики волокна при передаче DWDM сигнала.

Обычное одномодовое волокно с несмещенной дисперсией обладает минимальными потерями в системах с длиной волны 1310 нм. Высокая хроматическая дисперсия на волне  1550 мм (примерно 17 пс/нм*км) может потребовать дополнительных затрат на компенсацию дисперсии путем добавления специального волокна, компенсирующего дисперсию, или использования большого числа регенераторов.

2.1.3. Ширина полосы пропускания

Многомодовые световоды характеризуются полосой пропускания частот, выражаемой в мегагерцах. В спецификациях принято указывать не полосу пропускания, а так называемый коэффициент широкополосности,   присущий данному типу световода, в мегагерцах, умноженных на километры (МГц*км). При заданном коэффициенте шрокополосности (обозначим его S) полоса пропускания ΔF будет зависеть от длины линии или ее регенерационного участка модификаций ΔF = S/l. Для многомодовых волокон 50/125 нормируемые значения S составляют 400... 1500 МГц км. Для линии длиной 10 км полоса пропускания равна 40... 150 МГц. Чем длиннее линия, тем меньше полоса пропускания частот и, следовательно, меньше объем передаваемой информации.

Рабочая полоса частот (полоса пропускания) ОК определяет число передаваемых по нему каналов связи и лимитируется дисперсией ОВ.

На рис. 2.11. показан характер изменения дисперсии т. и пропускной способности ΔF ОВ в зависимости от длины линии. Снижение из-за дисперсии величины ΔF до допустимого значения лимитирует дальность передачи по ОК.

Полоса частот ΔF и дальность передачи взаимосвязаны. Соотношение между ними выражается формулами ΔF_Х /ΔF = l/l_Х. (для коротких линий в пределах устанавливающегося модового режима) и  (для длинных линий).

В этих соотношениях параметры с индексом х - искомые, а без; индекса - заданные; l_с - длина связи мод. В реальных условиях обычно нормируется полоса пропускания на один километр ΔF и определяется полоса пропускания на всю линию по формулам:

Полоса пропускания ΔF зависит от расширения импульсов τ и определяется соотношением ΔF = l / τ

2.2. Геометрические и оптические параметры оптических волокон

Основными геометрическими параметрами ОВ являются: диаметр сердцевины; диаметр оболочки; диаметр защитного покрытия; некруглость (эллиптичность) сердцевины; некруглость оболочки; неконцентричность сердцевины и оболочки.

Некруглость сердцевины ОВ определяется как разность максимального и минимального диаметров сердцевины, деленная на номинальный диаметр сердцевины, и определяется только в много-модовых волокнах, некруглость оболочки - в многомодовых и одномодовых волокнах.

Некруглость сердцевины ОВ (рис 2.12,а) определяется из выражения:

где H_с - некруглость сердцевины; d_макc:, d_мин - наибольший и наименьший диаметр сердцевины, мкм, соответственно; d_н— номинальный диаметр сердцевины, мкм.

Некруглость оболочки OB определяется аналогично. Неконцентричность сердцевины относительно оболочки определяется как расстояние между центрами оболочки и сердцевины ОВ (рис. 2.12,6) и определяется из выражения:

где Н_с/0 - неконцентричность сердцевины относительно оболочки, мкм; Ц_c - координата центра сердцевины, мкм; Ц₀ - координата центра оболочки, мкм.

Геометрические параметры стандартизированы для разных типов ОБ. Поэтому остановимся более подробно на оптических параметрах ОВ.

Основными оптическими параметрами волокна являются:

- относительная разность показателей преломления, Д;

- числовая апертура, NA;

-  нормированная частота, v;

- число распространяющихся мод, М;

- диаметр модового поля. dмп;

- длина волны отсечки (критическая длина волны ккр).

Относительная разность показателей преломления

Относительная разность ПП сердцевины и оболочки ОВ определяется выражением:

Числовая апертура

Одной из основных характеристик, определяющих условия ввода оптических сигналов и процессы их распространения в ОВ, является числовая апертура, определяемая для:

- оптических волокон со ступенчатым ППП

- оптического волокна с градиентным профилем ППП

В градиентных OB используется понятие локальной числовой апертуры.  Ее значение максимально на оси волокна и равно 0 на границе раздела сердцевина - оболочка.

Нормированная частота

Этот параметр, определяющий число мод, равен:

где λ - длина волны, мкм.

Если 0 < v < 2,405, то режим работы волокна одномодовый, если v > 2,405 - многомодовый. Чем меньше диаметр сердцевины ОВ, тем меньшее число мод может распространяться по нему и тем меньшее расширение получают оптические импульсы. Соответственно увеличивается коэффициент широкополосности ОВ. Таким образом, одномодовое (ООВ) может передавать более широкополосные сигналы, чем многомодовое (MOB).

Число мод в многомодовом оптическом волокне

Общее число мод в MOB с диаметром сердцевины 2а, заданной числовой апертурой на рабочей длине волны λ определяется через Нормированную частоту выражением вида:

В расчетах М может оказаться дробным числом, в то время как число мод в волокне бывает только целым и составляет от одной до тысячи мод. В волокне с градиентным ППП и теми же значениями диаметра сердцевины, показателей преломления n₁, и n_2: число мод примерно в 2 раза меньше, чем в ОВ со ступенчатым ППП. Количество мод (с учетом всех вырожденных мод) в случае ступенчатого ППП определяется выражением вида:

где и - показатель степени, описывающий изменения ППП; и =  ∞  Для ОВ со ступенчатым ППП; и = 2 для ОВ с градиентным ППП.

Диаметр модового поля в ООВ

Важным интегральным параметром ООВ является диаметр модового поля. Этот параметр используется при анализе одномодовых волокон.

В многомодовых ОВ размер сердцевины принято оценивать диаметром 2а, в одномодовых волокнах - с помощью диаметра модового поля d_МП Это связано с тем, что энергия основной моды в ООВ распространяется не только в сердцевине, но и частично в оболочке, захватывая ее приграничную область. Поэтому d_МП  более точно оценивает размеры поперечного распределения энергии основной моды. Величина d_МП является важной при стыковке волокон между собой, а также при стыковке источника излучения с волокном.

В формуле показана зависимость распределения интенсивности (мощности) излучения основной моды одномодового волокна в ближней зоне от радиуса (рис.2.13). Эта зависимость аппроксимируется с достаточной степенью точности формулой Гаусса:

где J(r) - интенсивность излучения на расстоянии г от оси ООВ; Jo - интенсивность излучения на оси ООВ (при г = 0); W_o - радиус модового поля, т. е. значение радиуса, при котором интенсивность излучения составляет 1/е² = О,35Уо

Радиус поля моды W₀ в микрометрах определяется при известных значениях v и а = d_с/2 из соотношения

Тогда искомое значение диаметра модового поля равно d_МП = 2W₀.

Длина волны отсечки в ООВ

Минимальная длина волны, при которой ОВ поддерживает только одну распространяющуюся моду, называется длиной волны отсечки. Этот параметр характерен для ООВ. Если λ_р  меньше, чем длина волны отсечки, то имеет место многомодовый режим распространения света (λ_р рабочая длина волны).

Различают длину волны отсечки в волокне λ_с и длину волны отсечки в проложенном кабеле λ_сс. Первая %,. соответствует слабо напряженному волокну и для ступенчатого ООВ она определяется выражением вида:

Длина отсечки в проложенном кабеле Х_сс соответствует напряженному ОВ. На практике ОВ в проложенном или подвешенном на опорах кабеле имеет большое число изгибов. Кроме того, сильные искривления имеются в ОВ, уложенных в кассеты муфт и промежуточных соединителях на объектах связи (сплайс-боксах). Все это ведет к подавлению побочных мод и сдвигу Х_сс в сторону коротких длин волн в сравнении с Х_с. Разницу между Х_сс и Х_с можно оценить только экспериментальным путем.

2.3. Механические параметры оптических волокон

К механическим параметрам ОВ относят:

- прочность волокна;

- Динамическую прочность на разрыв;

- параметр нагрузки разрушения;

- стойкость к изгибам;

- усилие снятия защитного покрытия.

Прочность волокна

Стекло принято считать хрупким. Оконное стекло действительно нс гнется, однако стеклянные волокна можно согнуть в виде окружности небольшого диаметра или завязать в свободный узел, на повреждая их. (Затягивание тугого узла может повредить волокно.)

Предел прочности характеризует способность волокна противостоять натяжению или изгибу без повреждения. Предел прочности волокна на разрыв превосходит ту же величину для стальной нити идентичного размера. Более того, медный проводник должен иметь вдвое больший диаметр, чтобы обеспечить тот же предел точности, что и волокно.

Основная причина, обусловливающая хрупкость волокна, это наличие микротрещин на поверхности и дефектов внутри волокна. При этом поверхностные трещины более существенны. Поверхностные  дефекты могут возрастать под воздействием растягивающей нагрузки,  возникающей во время прокладки кабеля. Температурные изменения механические и химические воздействия, обычное старение также приводят к появлению дефектов. Расширяющиеся дефекты приводят к случайному обрыву волокна. Для разрезания стекла делается узкая царапина на его поверхности. Затем, в результате резкого надлома стекло трескается вдоль царапины. Аналогичный процесс происходи в волокне. Скрытые дефекты действуют аналогично царапине на па верхности стекла. Как только к волокну прикладывается достаточно сильное растягивающее напряжение, дефекты растут внутри волоки) до тех пор, пока оно нс разрывается.

Динамическая прочность на разрыв

Динамическая прочность ОВ на разрыв - это определенное значение интенсивности нагрузки на растяжение или сжимание, которой подвергается вся длина волокна в его осевом направлении т протяжении определенного кратковременного периода.

Величина динамической прочности на разрыв ОВ составляв обычно величину более чем 38 ГПа для образцов, не подвергшихся старению, длиной 0,5 м.

Параметр нагрузки разрушения

Параметр нагрузки разрушения - это безразмерный коэффициент, эмпирически связанный с зависимостью распространения paзрушения (трещины) ОВ от приложенной нагрузки. Величина параметра нагрузки разрушения зависит от окружающей температуры, влажности и других условий.

Статические и динамические значения параметров нагрузки разрушения обычно задаются в технической документации на ОВ. Статические значения параметра нагрузки разрушения п_с - это отрицательная крутизна графика зависимости времени наработки ОВ на отказ через статическую усталость в зависимости от приложенной нагрузки в двойном логарифмическом масштабе.

Динамическое значение параметра нагрузки разрушения п_а -это такая величина, которая показывает, что значение 1/(п_д+1) есть крутизна графика динамической усталости в двойном логарифмическом масштабе в зависимости от скорости изменения напряжения в волокне, обусловленного приложенной нагрузкой. Значение параметра динамической усталости п_д определяется методом испытания динамической усталости.

Параметры п_с и п_д обычно указываются в технической документации на ОВ и, как правило, их величина больше 20.

Стойкость к изгибам

Несмотря на то, что волокно может быть согнуто в окружность, оно имеет минимальный радиус изгиба. Достаточно резкий изгиб может разорвать волокна. Изгибы также приводят к двум другим эффектам.

1.  Слегка увеличивается затухание. Этот эффект должен быть интуитивно понятен. Изгибы изменяют углы падения и отражения света внутри волокна настолько, что часть его, заключенная в модах высокого порядка, может покидать волокно (подобно случаю с микроизгибами).

2.   Уменьшается предел прочности волокна на разрыв. Если растяжение  сопровождается  изгибом  волокна,  оно  может разорваться при меньшем значении растягивающей нагрузки, чем в случае выпрямленного волокна.

Согласно спецификации на ОВ некоторых фирм минимальный радиус кривизны равен пяти диаметрам кабеля при отсутствии растягивающих напряжений и 10 диаметрам кабеля при их наличии.

Усилие снятия защитного покрытия

Этот параметр характеризует усилие, которое необходимо при-ожить для удаления покрытия с волокна, не подвергая последнее резмерному механическому напряжению, которое может привести к его разрыву. Как правило, усилие снятия защитного покрытия ОВ составляет величину, находящуюся в пределе от 1,3 до 9 Н.

2.4. Расчет оптических параметров и параметров передачи оптического волокна

Рассмотрим ряд практических примеров определения параметров, определяющих условия передачи света по различным типам ОВ таких как:

- диаметр сердцевины d_c = 2d одномодового ОВ, обеспечивающей при заданных величинах различия ПП сердцевины и оболочки Δ одномодовый режим передачи;

- рабочую нормированную частоту v, при которой при заданных допусках на величины а, Δ в ступенчатом ООВ будет иметь место одномодовый режим передачи;

- эффективный диаметр поля моды («диаметр модового пятна») и зависимость напряженности поля моды НЕ₁₁ от  радиуса в поперечном сечении ООВ;

-длину волны отсечки («критическая длина волны») волн более высокого порядка, чем НЕ₁₁ для ООВ;

- числовую апертуру для многомодового ОВ;

- величину Δ для стандартизованных многомодовых ОВ, применяющихся в ОК связи, и число мод при различных рабочих длинах  волн;

- нижний предел коэффициента затухания в ОВ;

- ориентировочную длину регенерационного участка;

- уширение импульса в MOB со ступенчатым и градиентный ППП и в ООВ;

- полосы пропускания ОВ;

- дополнительные потери от изгибов ОВ.

Расчет диаметра сердцевины ООВ

Задачей расчета является выбор диаметра сердце вины ООВ, обеспечивающего при заданных величинах различия ПП сердцевины и оболочки Δ и длине волны  λ одномодовый режим передачи.

Исходные данные: ОВ со ступенчатым, градиентным или треугольным ППП диапазон Δ = 0,001-0,005; используемые длины  волн  λ = 1.3; 1,55 мкм.

Решение такой задачи сводится к выбору значения п₁ или п₂.

Задавшись типом ОВ. у которого сердцевина или оболочка выполнены из чистого кварца, рассчитывают соответственно п₁ или п₂ заданной Δ по формуле Селмейера для кварцевого стекла.

Вычислив п₁ (или п₂) по заданной величине Δ можно определить п₂ (или п₁).

Задавшись величиной нормированной частоты v можно вычислить искомую величину d_c. Тогда

                                                                             (2.1)

Параметр v целесообразно выбирать в пределах 2,0 - 2,3 для получения одномодового режима передачи.

Если число v будет выбрано очень близко к v₀ = 2,405. то при отклонениях (даже в пределах допусков) от выбранных величин а, Δ, λ ОВ может выйти из одномодового режима передачи (т.е. v может быть равно или меньше 2,405).

Если выбрать 2,0, то этому случаю будут соответствовать ОВ с очень малыми значениями а или п₁² =  п₂². Это приводит к трудностям в использовании таких ОВ, так как при малых а имеются трудности с вводом энергии и соединением ОВ, а при малой Δ наблюдается увеличение потерь на микроизгибах из-за слабой на-правляемости ОВ.

Формула (2.1) справедлива для ОВ со ступенчатым ППП. Диаметр сердцевины для ООВ с градиентным ППП (d_c ') или треугольным ППП (d_c '') можно определить при известном значении d_c из выражений, пользуясь нижеприведенными соотношениями.

Известно, что функция изменения ПП от радиуса г ОВ с градиентным ППП имеет вид:

                                                   (2.2)

где и    коэффициент, определяющий ППП, который может принимать любые значения от 1 до бесконечности.

Соотношение между нормированными  частотами  отсечки  v₀ для ОВ с разными ППП:

                                                                                           (2,3)

где v_0ct - нормированная частота отсечки для ОВ со ступенчатым ППП.

Из выражения (2.3) вытекает соотношение, связывающее диаметры сердцевины ОВ с разными ППП, обеспечивающими одномодовый режим передачи:

                                                                                               (2.4)

где d_CCT - диаметр сердцевины ОВ со ступенчатым ППП, определяемый из (2.1).

Как известно, в ОВ со ступенчатым ППП и = ∞, с параболическим ППП – и =2, а с треугольным ППП - и=1. Тогда исходя из (2.4) видно, что для ООВ с градиентным и треугольным ППП диаметры сердцевины можно определить из соотношений:

                                                                         (2.5)

Расчет нормированной частоты при одномодовом режиме передачи

Задачей расчета является определение рабочей величины v, при  которой  сохраняется  одномодовый  режим  работы  ступенчатого ООВ при наличии колебания размеров а и Δ  в рамках заданных допусков.

Допустим величины Δ и а и их отклонения имеют значения

• Δ = 0,002 -0,003;

•  радиус сердцевины а = 6... 10 мкм;

•  относительные отклонения Δ - величины δ_Δ = ±5; 10; 15 %;

•  относительное отклонение радиуса сердцевины δ_α= ±5; 10; 15 %.

Для решения задачи следует определить изменения Δ_v  вызванные колебаниями а и Δ в пределах допусков. В этом случае рабочей нормированной частотой v_p является величина, определяемая из соотношения:

                                                                                          (2.6)

которая обеспечит работу ОВ в одномодовом режиме v < 2.405.

Так как величина v пропорциональна а и Δ¹/², то для относительных изменений величины v, а и Δ имеем соотношение:

                                                                                                   (2.7)

Задавшись величинами δ_α и δ_Δ, определим по (2.7) δ_v. = Δ v / v, a затем по (2.6) величину v_p.

Задаваясь различными значениями δ_α и δ_Δ, можно аналогичным образом получить диапазон возможных рабочих значений v_p.

Расчет эффективного диаметра поля моды и зависимости Е(r) поля моды НЕ₁₁.

Целью расчета является определение области сердцевины ООВ, в которой сосредоточено поле волны НЕ₁₁. Эта область определяется величиной d_Mn, которая носит название диаметра модового поля или эффективного диаметра поля моды.

Исходными данными являются величины v_p и dc, определенные выше.

Радиус поля моды W₀ в микрометрах определяется при известных значениях v и

а = dc/2 . Искомое значение диаметра поля моды будет d_Mn = aW₀.

Распределение поля в поперечном сечении ОВ Е(r) или Н(r) можно точно вычислить. Для приближенного решения можно воспользоваться аппроксимацией поля моды НЕ₁₁ функцией вида:

                                                                           (2.8)

где Е (0) - напряженность поля при r = 0. зависящая от абсолютной величины мощности оптического сигнала, введенного в ОВ. Выраженная в относительных величинах зависимость (2.8) имеет вид рис. 2.14. Значение W₀, определенное из рисунка, соответствует уменьшению напряженности Е = 2,713 раз по сравнению с Е в центре ОВ (r = 0).

Для построения зависимости Е(r)/Е(0) следует, задаваясь значениями радиуса r  в пределах 0 ... 3а по (2.8), определить искомую величину.

Обычно W₀ незначительно превышает радиус сердцевины a, T.e поле незначительно проникает в оболочку ОВ.

Расчет длины волны отсечки

Задачей расчета является определение длины волны отсечки мод более высокого порядка, чем волна HE₁₁ соответствующая режиму передачи ООВ, при заданных величинах d_c, Δ и λ.

Таким образом, требуется выбрать ООВ такое, которое, например, при рабочих длинах волн λ =1,3 или 1,55 мкм_, будет работать в одномодовом режиме.

Для решения поставленной задачи составляем уравнение:

                                                               (2.9)

из которого определяется λ₀ и сравнивается с рабочей длиной волны λр (1,3 или 1,55 мкм).

Например, при λр — 1,3 мкм, необходимо, чтобы λ₀ было меньше 1.3 мкм примерно на столько же (в относительных величинах), на сколько v_p меньше, чем 2,405 в задаче по определению нормированной частоты.

Определение величины Δ многомодового ОВ

Целью расчета является определение величины Δ и, соответстно разности ПП сердцевины и оболочки многомодового ОВ со ступенчатым ППП  при  заданных величинах числовой апертуры NA.  Исходными данными являются числовая апертура NA, рабочая длина волны λ, ПП оболочки – n₂.

Из гл. 1 имеем соотношения:

из которых получаем квадратное уравнение для определения величины Δ:

                                                (2.10),(2.11)

Физическому смыслу удовлетворяет первый корень этого уравнения.

Расчет числа мод в многомодовом ОВ

Целью расчета является определение числа существующих мод в многомодовом ОВ с диаметром сердцевины d_c , заданной числовой апертурой NA на рабочей длине волны λ.

Как известно из § 2.2 число мод М определяется из следующего выражения:

Определение уширения импульсов в ОВ

Различие групповых скоростей модовых и спектральных компонент сигнала приводит к их дисперсии (рассеиванию во времени).

В цифровых системах передачи дисперсия вызывает искажение формы импульса, наиболее важным фактором которого является уширение импульса т. В результате ограничивается допустимая скорость передачи сигнала. Различие групповых скоростей мод обуславливает модовую (межмодовую) дисперсию, различие групповых скоростей спектральных составляющих – хроматическую (внутримодовую) дисперсию.

Как отмечалось ранее, в свою очередь хроматическая дисперсия! складывается из дисперсии материала и волноводной дисперсии.

Дисперсия материала определяется непостоянством величины ПП на различных длинах волн, а отсюда  v_гр (λ.) = с/n(λ); здесь и далее используются приближенные выражения.

Волноводная дисперсия происходит вследствие нелинейности фазочастотной характеристики ОВ как оптического волновода.

Общее уширение импульсов при передаче по ОВ:

                               (2.12)

где τ _мод, τ _хр, τ _мат, τ_т - уширение импульсов, обусловленное соответственно модовой и хроматической дисперсией, состоящей из дисперсии материала и волноводной дисперсии.

В многомодовых ОВ τ _мод ›› τ _хр, поэтому:

τ = τ _мод

В одномодовых ОВ τ _мод  = 0, поэтому:

                                                                           (2.13)

Соотношение уширения импульсов т, уширения, определенного по уровню 0,5 от максимальной амплитуды τ _0,5, и среднеквадратичного уширения о приведено на рис. 2.15:

Уширение импульса в MOB с ростом длины линии возрастаем вначале линейно, т.е. пропорционально L, а затем - пропорционально . Последняя закономерность объясняется взаимодействием  «перемешиванием» мод в результате наличия нерегулярностей в ОИ и в полной мере проявляется после прохождения сигналом расстояния, называемого длиной установления равновесия мод OB - L,.

Расчетные формулы для определения т в MOB со ступенчатым ППП и с градиентным ППП представлены выражениями:

                                                  (2.14)

Уширение импульсов в ООВ с увеличением L растет линейно, оно зависит не только от параметров ОВ, но и от ширины спектра источника излучения Δλ, Полная ширина спектра источника определенная по уровню 0,5 от максимальной амплитуды, и среднеквадратичная ширина находятся в соотношении:

                                                                                (2.15)

Расчет пропускной способности ОК

Рабочая полоса частот (полоса пропускания) ОК определяет число передаваемых по нему каналов связи и определяется дисперсией ОВ.

Как известно, ширина полосы пропускания обратно пропорциональна уширению импульсов:

                                                                     2.16)

Полоса пропускания одномодовых ОВ уменьшается по законе 1/L, многомодовых ОВ - при L < L_Y -по закону 1 / L, а при L> L_Y – по закону 1/. В качестве примера можно определить максимально возможное число каналов передачи N_K по ОВ с шириной полосы пропускания ΔF. Для этого следует принять удельную скорость передачи информации по ОВ равной 1 бит/с на 1 Гц полосы частот. Известно, что для передачи аналогового звукового сигнала (полоса частот до 4 кГц) в импульсной (цифровой) форме необходимо произвести дискретизацию, уплотнение дискретизированных импульсов и аналого-цифровое преобразование, т.е. кодирования импульсов разных каналов. Число дискретизированных импульсов для одного телефонного канала может быть представлено в вида п = 2f_max = 2 · 400 = 800. При кодировании импульсов, полученным в результате дискретизации, их амплитуда изменяется и заменяется ближайшей величиной в двоичном коде (квантование). Каждый уровень квантования представляется восьмиразрядным двоичным числом (т.е. имеется 2⁸ = 256 возможных уровней квантования и преобразуется в бинарные электрические (а затем в оптические) импульсы.

Таким образом, для передачи информации одного канала требуется 8000x8 = 64000 импульсов. Принимая в качестве средней скорости передачи в одном цифровом канале тональной частоты величину 70000 бит/с = 70 кбит/с, получаем максимально возможное число передаваемых каналов Л^ при ширине пропускания F мГц:

Для организации телефонных каналов в количестве, определенном (2.17), необходимо иметь два ОВ (каждое ОВ обеспечиваем передачу сигналов в одном направлении).

Расчет коэффициента затухания ОВ на макроизгибах

Коэффициент затухания в оптическом волокне вызванный потерями на рассеяние, потерями в материале, потерями обусловленными электронными и атомными резонансами в инфракрасной части спектра, и потерями на гидроксильных группах

 Эти виды потерь образуют собственные потери волокна. Кроме собственных потерь в волокнах ОК появляются дополнительные или кабельные потери. Для оценки дополнительных потерь вводят понятия макро и микроизгибов ОВ.

Под макроизгибами понимают все макроскопические отклонения оси оптического волокна от прямой. Они возникают:

1) из-за изгиба кабеля при его намотке на кабельный барабан на заводеизготовителе;

2) при прокладке;

3) при монтаже кабеля.

Поэтому в ТУ на кабель всегда приводится минимально допустимый радиус изгиба кабеля. На рис. 2.16,а показано как на макро изгибе направляемая мода 1 превращается в вытекающую моду 2.

Под микроизгибами понимают случайные микроскопические искривления, сопровождающиеся местными смещениями оси волокна на несколько микрометров (рис. 216,б). Микроизгибы волокна обусловлены локализованными поперечными нагрузками, распределенными по всей длине ОВ. Они могут быть результатом деформации ОВ в процессе изготовления и прокладки, а также изменениями геометрических размеров материалов элементов кабеля, которые вызваны вариациями температуры. Чувствительность к микроизгибам является функцией разности показателей преломлений сердцевины и оболочки, а также диаметров сердцевины и оболочки. На рис. 2.16,б показан вариант возникновения микроизгибов вызванных деформацией границы раздела сердцевина - оболочка ОВ. Микроизгибы могут вызывать значительные потери на излучение и взаимодействие мод.

Величина потерь на макроизгибах для многомодового ОВ определяется по выражению:

                                                                   (2.18)

где α_макро - потери на макроизгибе, дБ; R - радиус макроизгиба в ОВ, мкм; а - радиус серд цевины ОВ, мкм; n₁- ПП сердцевины; NA - числовая апертура.

Глава 3. Оптические кабели связи

3.1. Классификация оптических кабелей

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

Оптические кабели по назначению подразделяются на следующие группы:

- магистральные;

- зоновые, (внутризоновые);

- городские;

- внутриобъектовые, (локальные);

- монтажные;

- полевые.

Магистральные и зоновые ОК предназначены для передачи всех видов современной информации на большие расстояния. Поэтому они должны обладать малым затуханием и дисперсией (Большой широкополосностью).

Городские ОК применяют в качестве соединительных линий между РАТС и узлами связи. Они рассчитаны для передачи информации на короткие расстояния (5... 15 км) без промежуточных ретрансляционных устройств и при сравнительно небольшом количестве каналов.

Внутриобъектовые (локальные) кабели используют для передачи различной информации внутри предприятий и подвижных объектов и на локальных вычислительных сетях.

Монтажные ОК - для внутри- и межблочного монтажа компьютеров и аппаратуры. Они содержат, как правило, большое количество узкополосных ОВ.

Полевые ОК предназначены для ремонтно-восстановительных ра-эот при авариях на электрических и оптических кабельных магистралях, а также для скрытой связи тактического военного назначения.

Современные оптические волокна (ОВ), выполняющие в ОК роль среды передачи, имеют малое затухание, слабую частотную зависимость и не являются ограничивающим фактором применения линейных ОК на сетях связи (магистральных, зоновых или местных).

Поэтому нет необходимости классифицировать линейные ОМ по принципу их принадлежности к магистральным, зоновым или местным сетям связи, как это принято для медножильных кабелей связи.

По функциональному назначению ОК достаточно классифицировать на две основные группы:

1)  линейные - для прокладки вне зданий (для наружной прокладки и эксплуатации);

2)   внутриобъектовые - для прокладки  внутри зданий  (для внутренней прокладки и эксплуатации).

Определяющим фактором применения линейных ОК на сетях связи являются условия их прокладки и эксплуатации - в грунтах различных категорий, от легких до тяжелых (скальные, вечно-мерзлые), в болотах, через водные преграды. ОК могут прокладываться и с использованием инженерной инфраструктуры технологических сетей, которая может является весьма протяженной.

Линейные ОК по условиям применения можно классифицировать на три подгруппы:

1) подземные;

2) подвесные;

3) подводные.

Внутриобъектовые ОК по условиям применения можно классифицировать на две подгруппы:

1) распределительные;

2) станционные (монтажные).

Условия прокладки и эксплуатации ОК в одной и той же среде далеко не одинаковы, поэтому целесообразна классификация ОК и по вариантам их применения (рис. 3.J), которая принята в документе, определяющем технические требования к ОК для применения на ЕСЭ России.

Подземные ОК прокладывают в грунтах всех категорий, через неглубокие болота и несудоходные реки, кабельной канализации, трубах, блоках, коллекторах, шахтах и на мостах.

Подводные ОК используют на морских магистралях, а также для прокладки через глубокие водоемы, где от них требуется высокая механическая прочность.

Подвесные ОК применяют для прокладки на грозотросе и фазщ вом проводе ЛЭП, контактной сети электрофицированных желея ных дорог, а также для устройства переходов от одного здания I другому в городских условиях и для прокладки на опорах воздуця ных линий связи и специальных стойках в сельских районах.

Внутренние (станционные) ОК предназначены для прокладки внутри зданий и на подвижных объектах.

Стационарные ОК - для монтажа аппаратуры

В общем случае деление по группам, установленное ГОСТ 26793 - 85 и публикацией МЭК 794-1 (50), достаточно условно, та! как требования, предъявляемые к каждой группе кабелей в нашей стране и за рубежом, отличаются в значительной степени как па уровню параметров, так и по их комбинации.

Выбор той или иной конкретной конструкции в пределах одной группы или вида зависит от многих переменных и определяется параметрами системы передачи, внешними воздействиями и стоимостью.

3.2. Конструктивные элементы и материалы

Элементы конструкции ОК можно подразделить на следующий группы:

- оптическое волокно;

- защитное покрытие ОВ;

- сердечник ОК;

- силовые (упрочняющие) элементы;

- разделительные (демпфирующие) слои;

- наружные защитные оболочки;

- броневые покровы;

- гидрофобные заполнители.

Оптическое волокно

В серийно изготовляемых ОК применяют одномодовые и многомодовые оптические волокна.

Для них широко используются кварцевые стекла. Кроме того, многомодовые ступенчатые ОВ могут иметь кварцевую сердцевину и полимерную оболочку или полностью изготовляться из полимерных материалов или многокомпонентных стекол.

Геометрические размеры и параметры передачи ОВ, применяемых  в магистральных, зоновых и городских ОК, должны соответствовать  одной   из   следующих   Рекомендаций  Международного союза по электросвязи (МСЭ-Т):

- G 651, Характеристики многомодового градиентного волоконно-оптического кабеля 50/125 мкм.

_ G 652. Характеристики одномодового волоконно-оптического

кабеля.

- G 653. Характеристики одномодового волоконно-оптического кабеля со сдвигом дисперсии.

- G 654. Характеристики одномодового волоконно-оптического кабеля с затуханием, минимизированным на волне 1,55 мкм.

- G 655. Характеристики одномодового волоконно-оптического кабеля с ненулевой дисперсией.

- G 656. С более жесткими требованиями по коэффициенту затухания

Геометрические  размеры кварцевых  многомодовых ОВ, применяемых в ОК для объектовых (локальных) сетей, стандартизированы у нас в стране:  ступенчатые 50/125 мкм и 62,5/125 мкм, градиентные 62,5/125 мкм.

Геометрические размеры и параметры передачи многомодовыя ступенчатых ОВ, изготовленных с применением полимерных материалов или многокомпонентных стекол, не нормируются, а в каталогах фирм производителей приводят рекомендации по их выбору.  Например, ОВ, используемые в локальных вычислительных сетях, имеют следующие диаметры сердцевины и оболочки:

Стекло/полимер.........................................................200/280 мкм Полимер/полимер......................................................980/1000 мкм

Стекло/стекло.............................................................200/240 мкм

Приведенные ОВ имеют большое затухание и их используют дм прокладки внутри объектов или на небольшие расстояния до 1...2 км.

Материалы для изготовления оптических волокон. Процесс производства и механические характеристики

Прежде всего следует отметить, что российскими кабельными  заводами при изготовлении ОКС используются оптические волокна (ОВ) в основном зарубежного производства: Corning Inc. (США), Optical fiber Solution (США), Fujikura Ltd. (Япония), Alcatel (Франция), Sumitomo (Япония).

Оптические волокна, используемые в ВОЛС, изготавливают главным образом из плавленого кварца. Достоинство его перед другими оптически прозрачными диэлектриками - минимальное затухание оптических сигналов. В случаях, когда потери оптической мощности не являются определяющим фактором, можно использовать значительно более дешевые ОВ из полимеров или многокомпонентных стекол, а также комбинированные со стеклянной или кварцевой сердцевиной и полимерной оболочкой. Далее рассмотрим только кварцевые ОВ.

Необходимая разность показателей преломления сердцевины и оболочки ОВ может быть достигнута легированием кварцевого стекла соответствующими добавками. Так, для увеличения показателя преломления сердцевины в состав SiO₂ вводят окислы GeO₂, Р₂О₅ и др.

Для уменьшения показателя преломления оболочки используют двуокись бора В₂О  или фтор.

Технологический процесс производства ОВ происходит в два этапа: изготовление заготовки и вытягивание волокна.

Заготовка представляет собой стержень из кварцевого стекла, имеющий тот же профиль показателя преломления, что и получаемое из него ОВ. Диаметр стержня составляет 15...20 мм, а длина -от одного до нескольких метров. Из одной заготовки можно получить 50...200 км волокна с диаметром 125 мкм.

Вытягивание ОВ из заготовки проводится на вытяжной башне, высота которой может быть более 20 м. Схема основных узлов установки представлена на рис. 3.2. Заготовка с помощью специального механизма подается в индукционную печь, где нагревается до температуры размягчения (свыше 2000 °С). Оптическое волокно вытягивают к основанию башни, причем для получения определенного постоянного диаметра скорости подачи готовки и вытягивания строго рассчитывают и поддерживают постоянными.

После  изготовления ОВ  защищается  первичным  покрытием.  Его назначение состоит в предотвращении старения ОВ, которое условлено образованием микротрещин, действием влаги и механическими воздействиями (прежде всего растяжением).

В процессе производства для выявления возможных дефектов ОВ подвергается испытанию на прочность. Сила, с которой растягивается ОВ, меньше предела прочности, но является достаточное для разрыва ОВ в месте дефекта. Срок службы ОВ, которое прошло испытание на прочность, можно прогнозировать с помощью математической модели, учитывающей растяжение ОВ при испытания и в процессе эксплуатации.

Изгиб может стать причиной образования микротрещин и обрыва ОВ. Он может также вызвать дополнительные потери. Рекомендуемый минимальный радиус изгиба ОВ - 30...40 мм. Он определяет пригодность использования ОВ в оптических кабелях и контролируется в испытаниях на прочность.

Защитное покрытие. Теоретический предел прочности кварцевого стекла очень велик (более 6000 н/мм² ), а у тонких волокон еще больше. Однако на практике прочность ОВ зависит от различных  дефектов и внутренних напряжений. Для защиты ОВ от внешних  воздействий на его оболочку наносится защитное покрытие (первичное и вторичное).

Первичное покрытие препятствует появлению и развитию микротрещин. Его обычно выполняют из акрила и окрашивают в целях идентификации   волокон.   Диаметр   ОВ   с  первичным   покрытием обычно составляет 245±10 мкм. Специальная защита от влаги и водорода достигается использованием тонкого металлического или углеродного  слоя  на  оболочке.   Эти  герметичные  и  устойчивые старению ОВ обычно используют в глубоководных подводных ОК.

На первичное покрытие ОВ наносят вторичное покрытие из эластичного высокопрочного полимера (полиэтилен, нейлон) и предназначено оно для защиты ОВ от изгибающих, сжимающих и растягивающих усилий. Внешний диаметр вторичного покрытия составляет 0,8... 1,0 мм.

Исследования показывают, что деформация поперечного сечения может явиться причиной резкого увеличения коэффициента затухания ОВ (на порядок и больше). Поэтому в тех случаях, когда велика вероятность того, что ОВ может подвергнуться воздействию радиального сжатия, между первичным и вторичным покрытиями помещается буферный слой диаметром порядка 0,4 мм, повышающий стабильность оптического затухания.

Как указывалось ранее, первичное защитное покрытие должно устранять взаимные помехи между ОВ при их плотной укладке в ОК, которые обусловлены модами излучения. Для этого пригодны акрил или силиконовая смола, имеющие большое поглощение на рабочей длине волны (порядка 1 дБ/мкм). Желательно, чтобы этот материал имел несколько больший показатель преломления, чем оболочка ОВ, чтобы предотвратить распространение вытекающих мод.

Сердечник ОК

Современные оптические кабели унифицированы по типу сердечника.

Одномодульньгй сердечник - в центре ОК расположена однослойная или двухслойная полимерная трубка, выполняющая функции центрального оптического модуля (ОМ). В технической документации этот тип сердечника имеет название «трубчатая конструкция», а ОК - «кабель трубчатой конструкции» (рис. 3.3).

В конструкции ОК с одномодульным оптическим сердечником могут  свободно размещаться до 48 ОВ. Эти конструкции ОК в соответствии с техническими условиями рассчитаны на допустимые Растягивающие усилия до 20 кН.

Многомодульный сердечник - в центре ОК расположен центральный силовой элемент (ЦСЭ), вокруг ЦСЭ наложен методом повивной односторонней или волновой скрутки повив оптических модулей (ОМ), а также при необходимости корделей заполнения.

В технической документации такой тип оптического сердечника имеет название «модульная конструкция», а тип ОКС - «кабель модульной конструкции»; (рис. 3.4).

Многомодульный оптический сердечник ОК может содержать 18 ОМ- а каждый ОМ - до 24 ОВ. Емкость такого ОК может достигать 288 ОВ.

Силовые (упрочняющие) элементы. Конструкция ОК должна обеспечивать защиту ОВ от чрезмерных механических напряжений  механические напряжения должны прикладываться не к ОВ, а к силовым (упрочняющим) элементам кабеля, которые ограничивают растяжение ОК (0,1...1%), обеспечивают необходимые радиусы изгиба и повышают стойкость ОК при механических радиальных воздействиях.

Силовые элементы размещены вдоль центральной оси кабеля. Конструктивно они могут быть выполнены в виде стержней или  жгутов тонких волокон из металлических и синтетических материалов. Для металлических элементов обычно используете оцинкованная или покрытая медью стальная проволока. Неметаллические силовые элементы чаще всего изготавливают из пластмассы повышенной прочности (кевлар, терлон, тварон). Они дороже стальных, но обеспечивают высокую прочность ОК и на большую массу. При необходимости между сердечником кабеля оболочкой помещают дополнительные силовые (армирующм элементы: повив из арамидовых (кевларовых) нитей или стекловолоконных лент.

Например, арамидные волокна Twaron предназначены для защиты оптических волокон ОК от различных механических и химических воздействий, разрушающего воздействия воды и окружаю щей среды. Арамидные волокна Twaron используются в качестве  различных конструктивных элементов ОК (см. табл. 3.3).

В подвесных ОК роль силового элемента играет стальной несущий трос. В кабелях, имеющих броню из круглых проволок,  механическое напряжение прикладывается к этим проволокам.

Разделительные (демпфирующие) слои.  Противостоят сжимающим механическим усилиям, уменьшая давление друг на друга различных элементов конструкции ОК. Они выполняются как заполнение из пенопласта.

Наружные защитные оболочки. Предохраняют ОК от проникновения влаги, паров вредных веществ и внешних механических воздействий, возникающих при прокладке и эксплуатации кабеля Оболочки подразделяются на три основных типа: металло-пластмассовыс (комбинированные), пластмассовые и пластмассовые с силовыми элементами.

Металлопластмассовые (комбинированные) оболочки состоят из тонкой металлической оболочки и пластмассового покрытия. Алюминиевая или стальная лента наматывается по сплошной спирали (внахлест) или накладывается в продольном направлении, образуя трубку с нахлестом, края которой свариваются или пропаиваются. Для улучшения гибкости ОК и сопротивления раздавливанию металлическая оболочка гофрируется вокруг сердечника. Такие комбинированные оболочки являются прекрасным влагонепроницаемым барьером. Кроме того, гофрированная стальная оболочка часто заменяет броневой покров.

Как показывает опыт эксплуатации, такая защита во многих конструкциях ОК является излишней, если кабель имеет влагозащитное заполнение или другие системы защиты от влаги. В этих случаях применяют пластмассовые оболочки, которые наносят методом опрессовки сердечника пластмассовым материалом (полиэтилен, поливинилхлорид и т.п.). Эти оболочки не являются влагонепроницаемыми.

Пластмассовые оболочки с силовыми элементами содержат продольные стальные или синтетические (FRP, кевлар) нити, и позволяют совместить в одном конструктивном элементе две Функции.

Пластмассовое покрытие ОК наружной прокладки чаще всего изготавливают из полиэтилена. Защита от ультрафиолетового изучения достигается добавлением в полиэтилен черного угля.

Традиционным материалом оболочек ОК внутренней прокладки до недавнего времени являлся поливинилхлорид. Однако этот материал имеет опасное свойство: при нагревании до высоких температур он разрушается и образует соляную кислоту.  Едкость и токсичность поливинилхлорида привели к тому, что в последнее время его не применяют.

Оболочку ОК внутренней прокладки изготавливают из термопластичного полимера с минеральными наполнителями (например, гидроксид алюминия). При горении и полимер, и наполнитель разуют нетоксичные, малодымные продукты распада, эффективно препятствующие распространению огня.

Броневые покровы. Применяются для защиты подземных ОК от давления земляной засыпки. Наряду с традиционными видами стальной проволочной брони широко используют оплетку из тол ких стальных проволок и броню из неметаллических материалов в  виде повива из арамидовых нитей или пластмассовых лент с yпрочняющими стекловолокнами. Подводные кабели имеют усиленную двойную броню из стальной проволоки с цинковым покрытаем или проволоки из нержавеющей стали.

Гидрофобные заполни гели- В ОК наружной прокладки очень важна защита ОВ от проникновения воды. Традиционный метод  защиты заключается в использовании гидрофобного компаунда в виде желе или геля. Компаунд в сердечник вводят под давлением при температуре 65...70°С. Защита от проникновения воды может быть обеспечена использованием разбухающих порошков, лент  или нитей. Порошок вводят в сердечник, а ленту и нить наматывают, как правило, поверх элементов из ОВ или поверх сердечника При намокании эти защитные устройства увеличиваются в объема заполняя все пустоты ОК, куда может проникнуть вода.

3.3. Маркировка

При выборе, закупке и приемке того или иного оптическою кабеля связи требуется быстро, без обращения к технической документации (ТУ, паспорту и т.д.) определить область его применения. Для этого служит маркировка, представляющая собой аббревиатурную запись основных параметров ОК, к числу которых относятся:

- назначение и область применения;

- конструкция сердечника;

- материал промежуточной и наружной оболочек;

- наличие брони;

- число оптических модулей и оптических волокон в пучке;

- тип оптического волокна;

- диаметры модового поля, сердцевины и отражающей оболочки;

- рабочая длина волны и коэффициент затухания на ней;

- полоса пропускания на рабочей длине волны;

- материал и площадь сечения силовых элементов;

- растягивающее усилие и др.

Чтобы любой специалист мог быстро расшифровать аббревиатурную  запись, обозначения одних и тех же параметров ОК должны быть унифицированы. Сегодня же в маркировках отечественных ОК используется множество разных обозначений. В табл. 3.4 приведены некоторые из них, принятые российскими производителями для ОК, предназначенных для прокладки в грунтах всех категорий,  кроме подверженных мерзлотным деформациям, в кабельной канализации, коллекторах, тоннелях, через болота и несудоходные реки и т.д.; подвески на опорах ЛЭП, контактной сети железных дорог, линий связи и т.п.

Кабели, предназначенные для использования в одинаковых условиях, должны иметь 3-4 общие аббревиатуры, остальные знаки могут отражать особенности их конструкции. При этом последовательность знаков после общей части должна быть четко систематизирована.

К примеру компанией «Москабель-Фуджикура» приняты следующие обозначения назначения кабеля, условий прокладки и конструктивных особенностей:

ОМЗКГМ: О - Оптический кабель, М - Магистральный, 3 - Зоновый, К - Канализация, Г - Грунт, М - Многомодульной конструкции.

ОМЗКГЦ: О - Оптический кабель, М - Магистральный, 3 - Зоновый, К - Канализация, Г - Грунт, Ц - Одномодульной конструкции с центральной трубкой.

ОКСТМН: ОК - Оптический кабель, СТ - Стальная гофрированная броня, М - Многомодульной конструкции, Н - Негорючая оболочка

ОКСТЦ: ОК - Оптический кабель, СТ - Стальная гофрированная броня, Ц - Одномодульной конструкции с центральной трубкой.

ОККТМ: ОК - Оптический кабель, К - Канализация, Т - Трубы пластмассовые, М - Многомодульной конструкции.

ОККТЦ: ОК - Оптический кабель, К - Канализация, Т - Трубы пластмассовые, Ц - Одномодульной конструкции с центральной Губкой.

ОКСНМ: ОК - Оптический кабель, С - Самонесущий, Н - Неметаллический, М - Многомодульной конструкции.

Примеры маркировок кабелей отечественных производителей приведены в табл. 3.5-3.9.

3.4. Конструкции волоконно-оптических кабелей различного назначения

В конструкциях ОК непременно учитываются условия, в которых они будут прокладываться и эксплуатироваться.

Особенности конструкций и требовании к ОК

Основные факторы, воздействующие на ОК в различных условиях прокладки и эксплуатации приведены в табл. 3.10.

Воздействующие факторы по существу определяют особенности конструкций ОК (наличие или отсутствие силовых элементов, бронепокровов. металлополимерных оболочек, защиты от продольного распространения воды).

На ЕСЭ должны применяться ОК, рассчитанные на широкий спектр  механических нагрузок и рабочий диапазон температур табл. 3.11).

Подземные ОК. Современные методы прокладки ОК кабеле-укладчиком или в подготовленную траншею не требуют защиты кабеля от перегрузок. Однако в условиях эксплуатации на ОК вертикально давит земляная засыпка. Кроме того, если ОК уложен в грунт под проезжей частью дороги, то он находится под дополнительным давлением от движущегося транспорта.

Температурные изменения среды, окружающей ОК, также являются причиной механических воздействий. Внешние силы действуют на ОК со стороны грунта из-за различных температурных линейных расширений, а в самом кабеле возникают внутренние напряжения из-за его неоднородной поперечной структуры. Вредное влияние на ОК оказывают содержащиеся в грунте различные химические агрессивные вещества и влага, которая является основным фактором, ограничивающим надежность и срок службы ОК.

-

Рассмотренные  условия  эксплуатации  определяют конструктивные особенности подземных ОК: свободная укладка ОВ, герметизация ОВ путем заполнения спиральных пазов или модулей гидрофобным компаундом или другими защитными устройствами и наличие  гофрированной стальной оболочки или броневого покрова. На рис.  3.5 представлена наиболее распространенная конструкция подземного  ОК. Некоторые конструкции кабелей могут не содержать металлических элементов.

Оптические кабели для прокладки в кабельной канализации, в коллекторах и трубах. При прокладке в кабельной канализации ОК подвержены растяжению, изгибу и поперечному сжатию растяжение вызывается трением ОК о стенки труб; изгибы и попев речные сжатия возникают при протягивании ОК через криволинейные участки канализации, а также при использовании в процессе прокладки направляющих блоков и роликов.

Тепловые воздействия, испытываемые ОК в процессе эксплуатации, как и в случае подземных кабелей, приводят к внутренним  напряжениям. Вместе с тем внешние силы, обусловленные линейным расширением ОК, относительно невелики, поскольку кабель в] трубе лежит свободно.

Одна из наиболее важных характеристик конструкции ОК для прокладки в кабельной канализации, коллекторах и трубах - допустимое растягивающее усилие.

Кроме того, ОК должен быть устойчив к изгибам, число которых при прокладке и монтаже может достигать 20...25. Оптические волокна должны быть защищены от воды, которая проникает в кабельную  канализацию.  Типичная конструкция  ОК этой группы I представлена на рис. 3.6.

Характерным для всех модификаций такой конструкции является свободное размещение ОВ в полимерных трубках, их герметизация гидрофобным компаундом или другими защитными устройствами, а также наличие силовых и армирующих элементов, которые обеспечивают необходимую устойчивость к изгибам заданного радиуса и допустимое растягивающее усилие 1500...4000 Н. Часто применяется защита от грызунов в виде проволочной оплетки или гофрированной стальной ленты.

Подводные ОК. По конструкции это наиболее сложные ОК (рис. 3.7). Их используют как для линий передачи большой протяженности на большой глубине (например, через Атлантический океан), так и для преодоления небольших водных преград (реки, каналы, озера и пр.).

Конструкция подводного ОК зависит от места его прокладки: глубоководный имеет защиту от высокого гидростатического давления, кабель для прокладки на мелководье снабжается защитой от сетей и якорей. При конструировании приходится учитывать такие факторы как гибкость и устойчивость к механическим нагрузкам. Достаточная гибкость позволяет ОК, в случае необходимости, огибать неровности дна, а высокая устойчивость к механическим нагрузкам необходима при прокладке и извлечении его со дна для ремонта - кабель не должен оборваться под действием собственной массы.

Оптические волокна очень чувствительны к воздействию морской воды. Поэтому в конструкциях подводных ОК предусмотрены более эффективные меры защиты. Так, вес пустоты внутри сердечника свободной конструкции заполняют гидрофобным компаундом и, кроме того, сердечник помещают внутри медной или алюминиевой трубки, которая одновременно выполняет функцию токопро-водящей жилы цепи дистанционного питания. Второй жилой является морская вода или внутренний токопроводящий проводник.

Двухслойная стальная броня обеспечивает прочность ОК при воздействии статических и динамических нагрузок. Скруткой слоев в противоположных направлениях обеспечивается нейтрализация крутящих моментов и исключается возможность образования петель. В качестве наружной оболочки применяют полиэтилен высокой прочности черного цвета для повышения стойкости к воздействию ультрафиолетовых лучей.

Подвесные ОК. По сравнению с рассмотренными выше кабелями подвесные ОК позволяют в ряде случаев уменьшить сроки строительства магистральных, внутризоновых и местных ВОЛС. снизить капитальные и эксплуатационные расходы. Отсутствие необходимости отвода земли особенно важно в крупных городах, где при реконструкции сетей ГТС для прикладки подвесных О К могут использоваться здания и любые сооружения городской инфраструктуры.

Поскольку подвесные ОК могут эксплуатироваться в широком  интервале температур и при наличии ветровой и ледовой нагрузки,  применяется свободная укладка ОВ.

Подвесные ОК можно подразделить на самонесущие, прикрепляемые, навивные и встраиваемые. Самонесущие ОК (рис. 3.8) подвешивают на опорах различного типа, в том числе на опорах линий электропередачи (ЛЭП) и контактной сети электрифицированные железных дорог. Кроме центрального силового элемента кабели содержат либо внешний силовой элемент (несущий трос), либо армирующие элементы (стержни, нити), равномерно распределенные по периферии поперечного сечения между сердечником и оболочкой. Центральный силовой элемент и трос обычно изготавливаются из стеклопластикового стержня, стальной проволоки или пучка нитей из высокопрочной пластмассы (кевлар, терлон, тварон).

Прикрепляемые и навивные ОК не  содержат металлических элементов. Сердечник свободной конструкции (обычно модульной) защищен центральным силовым элементом и армирующими элементами по периферии ОК. Прикрепляемые ОК крепят к несущему проводу (например, фазовому проводу или грозотросу ЛЭП) с помощью специальных зажимов или диэлектрических лент и шнуров,  а навивные наматывают вокруг несущего провода (рис. 3.9).

Встраиваемые ОК, согласно мировой статистике составляют 80-90%   подвесных кабелей,  применяемых  на магистральных и внутризоновых ВОЛС. Их конструкции достаточно разнообразный но в общем случае можно выделить две группы элементов: элементы сердечника ОК и специальные элементы конструкции грозотроса.

Сердечники свободной (модульной) конструкции могут быть многомодульными или одномодульными. Оптические модули, как правило, аналогичны описанным выше, за исключением того, что трубки могут быть как пластмассовыми, так и металлическими.

Специальные элементы конструкции грозотроса обычно содержат два металлических повива: внешний - из проволоки с большой удельной проводимостью (алюминий и его сплавы) и внутренний -из стальной проволоки с покрытием, обладающей высокой механической прочностью. Внешний повив выполняет функции молниеотвода. В некоторых конструкциях в дополнение к нему между повивами размещается сплошная алюминиевая оболочка. Внутренний повив выполняет функцию круглой проволочной брони.

Внутри объектовые (станционные) ОК. Внутриобъектовые ОК предназначены для построения сетей любого типа. Их используют для прокладки внутри зданий, на подвижных объектах, для соединения с вычислительной техникой и аппаратурой.

Условия эксплуатации определяют конструктивные особенности внутриобъектовых ОК: неметаллические, без гидрофобного заполнения, легко монтируются в стесненных условиях, оболочка должна препятствовать распространению огня.

Наибольшее распространение получила плотная укладка ОВ, которая обеспечивает минимальные геометрические размеры ОК. Одноволоконный ОК (рис. 3.10) состоит из ОВ в первичном и вторичном покрытиях, из нитей кевлар и наружной пластмассовой оболочки.

Многоволоконные ОК имеют сердечник повивной конструкции. Конструкция сердечника ОК, используемого в широком интервале температур, может быть свободной или плотной. В последнем случае материалы конструктивных элементов (кроме ОВ) подбирают таким образом, чтобы их температурные коэффициенты линейного расширения взаимно компенсировались.

В ОК, предназначенных для прокладки в пожароопасных помещениях, может быть применена свободная (модульная) конструкция сердечника. Кроме того, в конструкцию дополнительно вводят оболочки из слюдяной ленты и стеклоленты.

Наружные оболочки ОК изготавливают из медленно горящих, не содержащих галогенов малодымных термопластичных полимеров.

Основные типы оптических кабелей

В настоящее время предприятия российской кабельной промышленности, оснащенные современным оборудованием, производят ОК, отвечающие всем требованиям международных стандартов, Рекомендаций МСЭ G 651-654 К-25, публикациям МЭК IEC-794-l.

В конструкциях ОК применяются импортные материалы высокого качества, а также ОВ, изготовленные как у нас в стране, так и поставляемые известными фирмами – Корнинг (США), Фуджикура (Япония), Эрикссон (Швеция). Полностью налажено производство номенклатуры ОК для магистральных, зоновых и местных сетей. Как правило, в ОК используется многомодовое градиентное и одномодовос ОВ типов SF и DSF.

Оптические кабели выпускают следующие российские предприятия:

СП ЗАО «ОФС Связьстрой-1», Волоконно-оптическая кабельная компания (ВОК), г. Воронеж (один из учредителей - компания I Optical Fiber Solutions, США, ранее Lucent Technologies);

СП ЗАО «Москабель-Фуджикура» (МФК), г. Москва (один из  учредителей – компания Fujikura Ltd., Япония);

СП ЗАО «Самарская оптическая кабельная компания» (СОКК),  г. Самара (один из учредителей - компания Corning Inc., США);

ЗАО «ОКС 01», г. Санкт-Петербург;

ООО «Еврокабель 1»;

ЗАО «Севкабель-Оптик», г. Санкт-Петербург;

ЗАО «Сарансккабель-Оптика», г. Саранск;

ООО «Эликс-Кабель», г. Реутов, Московская область;

ЗАО «Трансвок», г. Боровск, Калужская область;

ООО «Оптен», г. Санкт-Петербург;

ООО «Электропровод», г. Ивантеевка, Московская область;

ЗАО «Армавирский завод связи», г. Армавир, Краснодарский край;

ЗАО «Яуза-кабель», г. Мытищи, Московская область.

В настоящее время эти предприятия формируют и успешно осваивают отечественный телекоммуникационный рынок ОКС.

Отечественные оптические кабели для ВОЛС

Различные конструкции кабелей рассмотрим на примере кабельной продукции, выпускаемой ООО «Электропровод».

На рис. 3.11 представлено поперечное сечение магистрального ОК. Кабели типа ОКНБ предназначены для прокладки в грунтах всех категорий, в том числе зараженных грызунами, кроме грунтов, подверженных мерзлотным деформациям, в воде, при пересечении неглубоких болот, водных преград и несудоходных рек , а также в кабельной канализации, трубах, блоках, коллекторах, на мостах,

Внутриобъектовые ОК. Внутриобъектовые ОК предназначены для построения сетей передачи данных любого типа. Их используют для прокладки внутри зданий, на подвижных объектах, для соединения с вычислительной техникой и аппаратурой (табл. 3.14).

Условия эксплуатации определяют конструктивные особенности внутренних ОК: неметаллические, без гидрофобного заполнения, легко монтируются в стесненных условиях, оболочка должна препятствовать распространению огня (см. рис.3.10).

Используемое волокно - многомодовое с сердечником диаметром 50 мкм и затуханием 0, 6 дБ/км на 1300 нм, кабель типа ОКВ-М6(2, 9/0, 9)17-62, 5-0, 6-6 покрыт наружной оболочкой из поливинилхлоридного пластиката, имеет центральный упрочняющий элемент - стеклопластиковый пруток. Используемое ОВ -многомодовое с диаметром сердечника 62,5 мкм и затуханием 0,6 дБ/км на 1300 нм.

Подвесные ОК. ОК/А - М6П - ..., ОК/П - М6П - ... - подвеска на опорах линий связи, контакт12:06 18.02.2006-ной сети железных дорог, вдоль линий электропередач на напряжение до ПО кВ включительно; ОК/Т - М6ГТ - ... - тоже, кроме подвески вдоль линий электропередач на напряжение до 110 кВ включительно. Допустимое растягивающее усилие кабелей всех марок не менее 3000 Н.

Кабель оптический подвесной представлен на рис. 3.13. В табл. 3.15. приведены конструктивные параметры этих типов ОК.