Доклад по волоконной оптике
2. Создание и внедрение перспективных ОК связи, обеспечивающих получение
большого числа каналов и не требующих для своего производства
дефицитных металлов (медь, свинец).
3. Широкое внедрение в кабельную технику пластмасс (полиэтилена,
полистирола, полипропилена и др.), обладающих хорошими электрическими
и механическими характеристиками и позволяющих автоматизировать
производство.
4. Внедрение алюминиевых, стальных и пластмассовых оболочек вместо
свинцовых. Оболочки должны обладать герметичностью и обеспечивать
стабильность электрических параметров кабеля в течение всего срока
службы.
5. Разработка и внедрение в производство экономичных конструкций кабелей
внутризоновой связи (однокоаксиальных, одночетверочных, безбронных).
6. Создание экранированных кабелей, надежно защищающих передаваемую по
ним информацию от внешних электромагнитных влияний и грозы, в
частности кабелей в двухслойных оболочках типа алюминий — сталь и
алюминий — свинец.
7. Повышение электрической прочности изоляции кабелей связи. Современный
кабель должен обладать одновременно свойствами как высокочастотного
кабеля, так и силового электрического кабеля, и обеспечивать передачу
токов высокого напряжения для дистанционного электропитания
необслуживаемых усилительных пунктов на большие расстояния.
Таблица №1 Достоинства и недостатки оптоволоконной связи
Открытые системы связи
Направляющие системы связи
Конструкция и характеристика оптических кабелей связи
Классификация оптических кабелей связи
Оптический кабель состоит из скрученных по определенной системе
оптических волокон из кварцевого стекла (световодов), заключенных в общую
защитную оболочку. При необходимости кабель может содержать силовые
(упрочняющие) и демпфирующие элементы.
Существующие ОК по своему назначению могут быть классифицированы на три
группы: магистральные, зоновые и городские. В отдельные группы выделяется
подводные, объектовые и монтажные ОК.
Магистральные ОК предназначаются для передачи информации на большие
расстояния и значительное число каналов. Они должны обладать малыми
затуханием и дисперсией и большой информационно-пропускной способностью.
Используется одномодовое волокно с размерами сердцевины и оболочки 8/125
мкм. Длина волны 1,3...1,55 мкм.
Зоновые ОК служат для организации многоканальной связи между областным
центром и районами с дальностью связи до 250 км. Используются градиентные
волокна с размерами 50/125 мкм. Длина волны 1,3 мкм.
Городские ОК применяются в качестве соединительных между городскими АТС
и узлами связи. Они рассчитаны на короткие расстояния (до |10 км) и большое
число каналов. Волокна-градиентные (50/125 мкм). Длина волны 0,85 и 1,3
мкм. Эти линии, как правило, работают без промежуточных линейных
регенераторов.
Подводные ОК предназначаются для осуществления связи через большие
водные преграды. Они должны обладать высокой механической прочностью на
разрыв и иметь надежные влагостойкие покрытия. Для подводной связи также
важно иметь малое затухание и большие длины регенерационных участков.
Объектовые ОК служат для передачи информации внутри объекта. Сюда
относятся учрежденческая и видеотелефонная связь, внутренняя сеть
кабельного телевидения, а также бортовые информационные системы подвижных
объектов (самолет, корабль и др.).
Монтажные ОК используются для внутри- и межблочного монтажа аппаратуры.
Они выполняются в виде жгутов или плоских лент.
Оптические волокна и особенности их изготовления
Основным элементом ОК является оптическое волокно (световод),
выполненное в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы, по
которому передаются световые сигналы с длинами волны 0,85...1,6 мкм, что
соответствует диапазону частот (2,3...1,2) • 1014 Гц.
Световод имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и
оболочки с разными показателями преломления . Сердцевина служит для
передачи электромагнитной энергии. Назначение оболочки — создание лучших
условий отражения на границе “сердцевина — оболочка” и защита от помех из
окружающего пространства.
Сердцевина волокна, как правило, состоит из кварца, а оболочка может
быть кварцевая или полимерная. Первое волокно называется кварц—кварц, а
второе кварц—полимер (кремнеор-ганический компаунд). Исходя из физико-
оптических характеристик предпочтение отдается первому. Кварцевое стекло
обладает следующими свойствами: показатель преломления 1,46, коэффициент
теплопроводности 1,4 Вт/мк, плотность 2203 кг/м3.
Снаружи световода располагается защитное покрытие для предохранения его
от механических воздействий и нанесения расцветки. Защитное покрытие обычно
изготавливается двухслойным: вначале кремнеорганический компаунд (СИЭЛ), а
затем—эпоксидакрылат, фторопласт, нейлон, полиэтилен или лак. Общий диаметр
волокна 500...800 мкм (рис. 1).
Рис. 1. Сечение оптического волокна:
1— сердцевина ; 2 — оболочка ; 3 — защитное покрытие
В существующих конструкциях ОК применяются световоды трех типов:
ступенчатые с диаметром сердцевины 50 мкм, градиентные со сложным
(параболическим) профилем показателя преломления сердцевины и одномодовые с
тонкой сердцевиной (6...8 мкм) (рис. 2).
Рис. 2. Оптические волокна:
а — профиль показателя преломления; б — прохождение луча; 1 — ступенчатые;
2 — градиентные; 3 — одномодовые
По частотно-пропускной способности и дальности передачи лучшими
являются одномодовые световоды, а худшими — ступенчатые.
Важнейшая проблема оптической связи — создание оптических волокон (ОВ)
с малыми потерями. В качестве исходного материала для изготовления ОВ
используется кварцевое стекло , которое является хорошей средой для
распространения световой энергии. Однако, как правило, стекло содержит
большое количество посторонних примесей, таких как металлы (железо,
кобальт, никель, медь) и гидроксильные группы (ОН). Эти примеси приводят к
существенному увеличению потерь за счет поглощения и рассеяния света. Для
получения ОВ с малыми потерями и затуханием необходимо избавиться от
примесей, чтобы было химически чистое стекло.
В настоящее время наиболее распространен метод создания ОВ с малыми
потерями путем химического осаждения из газовой фазы.
Получение ОВ путем химического осаждения из газовой фазы выполняется в
два этапа: изготовляется двухслойная кварцевая заготовка и из нее
вытягивается волокно. Заготовка изготавливается следующим образом (рис. 3).
Рис. 3. Изготовление заготовки методом химического осаждения из газовой
фазы:
1—опорная трубка (оболочка ); 2—осажденные продукты (сердцевина );
3—нагревательная спираль; 4 — газообразный поток кварца
Во внутрь полой кварцевой трубки с показателем преломления длиной
0,5...2 м и диаметром 16...18 мм подается струя хлорированного кварца и
кислорода . В результате химической реакции при высокой температуре
(1500...1700° С) на внутренней поверхности трубки слоями осаждается чистый
кварц . Таким образом, заполняется вся внутренняя полость трубки, кроме
самого центра. Чтобы ликвидировать этот воздушный канал, подается еще более
высокая температура (1900° С), за счет которой происходит схлопывание и
трубчатая заготовка превращается в сплошную цилиндрическую заготовку.
Чистый осажденный кварц затем становится сердечником ОВ с показателем
преломления , а сама трубка выполняет роль оболочки с показателем
преломления . Вытяжка волокна из заготовки и намотка его на приемный
барабан производятся при температуре размягчения стекла (1800...2200° С).
Из заготовки длиной в 1 м получается свыше 1 км оптического волокна (рис.
4).
Рис. 4. Вытягивание волокна из заготовки:
1 — заготовка; 2 — печь; 3 — волокно; 4 — приемный барабан
Достоинством данного способа является не только получение ОВ с
сердечником из химически чистого кварца, но и возможность создания
градиентных волокон с заданным профилем показателя преломления. Это
осуществляется: за счет применения легированного кварца с присадкой титана,
германия, бора, фосфора или других реагентов. В зависимости от применяемой
присадки показатель преломления волокна может изменяться. Так, германий
увеличивает, а бор уменьшает показатель преломления. Подбирая рецептуру
легированного кварца и соблюдая определенный объем присадки в осаждаемых на
внутренней поверхности трубки слоях, можно обеспечить требуемый характер
изменения по сечению сердечника волокна.
Конструкции оптических кабелей
Конструкции ОК в основном определяются назначением и областью их
применения. В связи с этим имеется много конструктивных вариантов. В
настоящее время в различных странах разрабатывается и изготавливается
большое число типов кабелей.
Рис. 5. Типовые конструкции оптических кабелей:
а—повивная концентрическая скрутка; б—скрутка вокруг профилированного
сердечника; в—плоская конструкция; 1— волокно; 2— силовой элемент; 3—
демпфирующая оболочка; 4—защитная оболочка; 5—профилированный сердечник; 6—
ленты с волокнами
Однако все многообразие существующих типов кабелей можно подразделять
на три группы (рис.5):
8. кабели повивной концентрической скрутки
9. кабели с фигурным сердечником
10. плоские кабели ленточного типа.
Кабели первой группы имеют традиционную повивную концентрическую
скрутку сердечника по аналогии с электрическими кабелями. Каждый
последующий повив сердечника по сравнению с предыдущим имеет на шесть
волокон больше. Известны такие кабели преимущественно с числом волокон 7,
12, 19. Чаще всего волокна располагаются в отдельных пластмассовых трубках,
образуя модули.
Кабели второй группы имеют в центре фигурный пластмассовый сердечник с
пазами, в которых размещаются ОВ. Пазы и соответственно волокна
располагаются по геликоиде, и поэтому они не испытывают продольного
воздействия на разрыв. Такие кабели могут содержать 4, 6, 8 и 10 волокон.
Если необходимо иметь кабель большой емкости, то применяется несколько
первичных модулей.
Кабель ленточного типа состоит из стопки плоских пластмассовых лент, в
которые вмонтировано определенное число ОВ. Чаще всего в ленте
располагается 12 волокон, а число лент составляет 6, 8 и 12. При 12 лентах
такой кабель может содержать 144 волокна.
В оптических кабелях кроме ОВ, как правило, имеются следующие элементы:
силовые (упрочняющие) стержни, воспринимающие на себя продольную нагрузку,
на разрыв;
заполнители в виде сплошных пластмассовых нитей;
армирующие элементы, повышающие стойкость кабеля при механических
воздействиях;
наружные защитные оболочки, предохраняющие кабель от проникновения влаги,
паров вредных веществ и внешних механических воздействий.
В России изготавливаются различные типы и конструкций ОК. Для
организации многоканальной связи применяются в основном четырех- и
восьмиволоконные кабели.
Представляют интерес ОК французского производства (рис.6). Они, как
правило, комплектуются из унифицированных модулей, состоящих из
пластмассового стержня диаметром 4 мм с ребрами по периметру и десяти ОВ,
расположенных по периферии этого стержня. Кабели содержат 1, 4, 7 таких
модулей. Снаружи кабели имеют алюминиевую и затем полиэтиленовую оболочку.
Рис. 6. Конструкции оптических кабелей французского производства:
а — 10-волоконный модуль; б — 70-волоконный кабель; 1 — оптические волокна;
2 — фигурный сердечник;
3 — силовой элемент; 4 — пластмассовая лента; 5—модуль на десять волокон; 6
— алюминиевая оболочка; 7—полиэтиленовая оболочка
Американский кабель, широко используемый на ГТС, представляет собой
стопку плоских пластмассовых лент, содержащих по 12 ОВ. Кабель может иметь
от 4 до 12 лент, содержащих 48— 144 волокна (рис.7).
Рис. 7. Американский кабель плоской конструкции:
а—лента с 12 волокнами; б—сечение кабеля; в—общий вид кабеля; 1—оптическое
волокно; 2—полиэтиленовая лента; 3—стопка лент из 144 волокон; 4— защитное
покрытие; 5 — внутренняя полиэтиленовая оболочка; 6 — пластмассовые ленты;
7 — силовые элементы; в — полиэтиленовые оболочки
На (рис.8) показан японский ОК с алюминиевой оболочкой и наружным
полиэтиленовым шлангом.
Рис. 8. Японский оптический кабель:
1 — оптические волокна; 2—медный силовой элемент; 3 — демпфирующее
покрытие; 4—наружная оболочка
В Англии построена опытная линия электропередачи с фазными проводами,
содержащими ОВ для, технологической связи вдоль ЛЭП. Как видно из (рис.9),
в центре провода ЛЭП располагаются четыре ОВ.
Рис. 9. Оптический кабель, встроенный в фазный провод ЛЭП:
1 — оптические волокна; 2 — защитное покрытие; 3 — проводники ЛЭП
Применяются также подвесные ОК (рис.10). Они имеют металлический трос,
встроенный в кабельную оболочку. Кабели предназначаются для подвески по
опорам воздушных линий и стенам зданий.
Рис. 10. Подвесной оптический кабель с встроенным тросом:
1—оптические волокна; 2—стальной трос; 3 — полиэтиленовая оболочка
Для подводной связи проектируются ОК, как правило, с наружным броневым
покровом из стальных проволок (рис.11). В центре располагается модуль с
шестью ОВ. Кабель имеет медную или алюминиевую трубку. По цепи
“трубка—вода” подается ток дистанционного питания на подводные
необслуживаемые усилительные пункты.
Рис.11. Подводный оптический кабель:
а — шестиволоконный модуль (3 варианта); б—подводный кабель; 1—оптический
модуль; 2—шесть оптических волокон; 3—силовой элемент из стальной
проволоки; 4 — полиэтиленовая оболочка модуля; 5 —пластмассовые трубки;
6—заполнение компаундом; 7—стальная броня; 8 — медная или алюминиевая
трубка; 9—полиэтиленовый шланг
Оптические кабели российского производства
Первое поколение ОК, созданных в 1986—1988 гг., включает кабели
городской (ОК-50), зоновой (ОЗКГ) и магистральной (ОМЗКГ) связи.
Современные требования развития связи потребовали создания новых
усовершенствованных типов ОК (второе поколение). Такими кабелями,
разработанными в период 1990—1992 гг., являются: ОКК—для городской связи
(прокладка в канализации), ОКЗ—для зоновой и ОКЛ—для линейной магистральной
связи.
Отличительные особенности ОК второго поколения:
переход на волны 1,3 и 1,55 мкм;
применение одномодовых волокон;
модульные конструкции кабелей (каждый модуль на 1, 2, 4 волокна);
наличие медных жил для дистанционного электропитания;
разнообразие типов наружных оболочек (стальные ленты, проволоки,
стеклопластик, полиэтилен, оплетка);
широкополосность и большие длины регенерационных участков.
Кабель ОКК по сравнению с ОК-50 имеет меньшее затухание, большие
дальность связи и широкополосность. Кабель ОКК состоит из градиентных и
одномодовых волокон.
Новый зоновый кабель ОКЗ имеет различные типы оболочек, позволяющих
использовать его в различных условиях эксплуатации (земля, вода, подвеска).
Кабель междугородной связи ОК.Л по сравнению с предшествующим (ОМЗКГ)
обладает большей длиной трансляционного участка и позволяет применять
наиболее мощную систему передачи на 7680 каналов (“Сопка-5”).
Рассмотрим конструкции отечественных ОК.
Кабель городской связи типа ОК-50 содержит четыре или восемь волокон
(рис.12). Волокна свободно расположены в полимерных трубках. Скрутка —
повивная, концентрическая. В центре размещен силовой элемент из
высокопрочных полимерных нитей. Снаружи имеется, полиэтиленовая оболочка.
Рис. 12. Оптический кабель городской связи ОК-50:
1 — силовой элемент; 2 — пластмассовая трубка; 3 — волокно; 4 —
пластмассовая лента; 5—полиэтиленовая оболочка
Четырехволоконный кабель ОК-4 имеет принципиально ту же конструкцию и
размеры, что и восьмиволоконный, но только четыре волокна в нем заменены
пластмассовыми стержнями. Изготавливаются также кабели, содержащие больше
число волокон. Городские кабели прокладываются в телефонные канализации.
Кабель городской связи типа ОКК, прокладываемый в канализации, содержит
4, 8 или 16 волокон (рис.13). Кабель имеет градиентные волокна с диаметром
сердцевины 50 мкм (ОКК-50-01) или одномодовые волокна с диаметром
сердцевины 10 мкм (ОКК-10-02).
Рис. 13. Оптический кабель городской связи марки ОККС:
1 — силовой элемент (стеклопластик); 2 — оптическое волокно; 3 —
пластмассовая лента; 4 — стеклопластиковые стержни; 5—полиэтиленовый шланг
Силовой центральный элемент выполнен из стеклопластиковых стержней или
стального троса, изолированного полиэтиленом. Поверх наложена скрутка из
восьми оптических модулей или корделей. В каждом модуле может содержаться
1, 2 или 4 ОВ. Затем наложены фторопластная лента и полиэтиленовый шланг.
Кабели, предназначенные для прокладки в грунтах, зараженных грызунами
или подверженных механическим воздействиям, имеют еще броневой покров из
стеклопластиковых
стержней, а поверх него—полиэтиленовый шланг (ОККС). Известны
Страницы: 1, 2, 3, 4
|