8.2.4 Волоконно-оптичний кабель

За своєю конструкцією і зовнішнім виглядом волоконно-оптичні кабелі

подібні до коаксіальних, але на відміну від них не мають екрану. Центральна

жила кабелю (або пучок жил) виготовлена з надпрозорої пластмаси. Кабель

має низьку механічну міцність і повинен прокладатись у спеціальних

конструкціях (каналах, лотках, коробах). Світловий потік в такому кабелі

створюється або малопотужними лазерами або суперлюмінісцентними

світлодіодами.

Волоконно-оптичні кабелі зовсім не чутливі до електромагнітних завад

і мають високі характеристики як середовище передавання.

За цими характеристика їх поділяють на:

одномодові. Мають одну центральну жилу діаметром 10 мкм.

Працюють з лазерами, частота хвилі яких становить або 1,3, або

1,55 мкм.

багатомодові. Мають пучок центральних жил діаметром 50, 62,5,

100 або 140 мкм. Працюють з суперлюмінісцентними

світлодіодами з частотою хвилі 1,3 та 0,85 мкм.

Волоконно-оптичні кабелі дозволяють передавати дані зі швидкістю до

1 Гбіт/с на відстань до 110 км.

Недоліком цього типу середовища передавання є поки що висока

вартість кабелів та обладнання.

Огляд основних понять про оптоволоконні кабелі.

Будова оптоволокна та основні фізичні явища в оптоволокні.

Оптичний хвилевід, інакше - світловід або оптичне волокно (optical wave guide - OWG) - це діелектричний хвилевід, вздовж якого може поширюватися електромагнітна енергія у видній та інфрачервоній областях електромагнітного спектру. Реальні оптичні хвилеводи - це гнучкі волокна з оптично прозорих діелектричних матеріалів (скла або пластику). Поперечний переріз таких волокон звичайно складається із трьох областей: ядра, оточеного шаром, який називають оболонкою, і захищеного покриттям (рис. 8.2.4.1).

Рис. 8.2.4.1 Поперечний переріз оптоволокна.

Ядро (core) - Центральна область оптоволокна, виконана із скла або пластику, в якій переноситься основна частина енергії; має оптичний коефіцієнт заломлення n₁ , більший від коефіцієнта заломлення оболонки n₂ .

Оболонка (cladding) - Весь оптично прозорий матеріал оптоволокна, крім ядра. шар матеріалу з коефіцієнтом заломлення n₂, нижчим ніж в ядра (n₂< n₁); це викликає відбиття світла на границі між ядром та оболонкою, внаслідок якого світлові хвилі спрямовуються волокном. В оболонці поширюється лише незначна частина енергії порівняно з ядром.

Покриття (coating) - Шар пластику, нанесений безпосередньо на скляну оболонку оптоволокна для його механічного захисту. Покриття практично повністю оптично ізольоване від ядра, тому може виготовлятися з оптично непрозорих матеріалів, а його впливом на передавальні характеристики оптоволокна у більшості випадків можна знехтувати. Розрізняють два види покриттів:

• первинне покриття (primary coating), яке наноситься безпосередньо на скляну оболонку, тобто перше (внутрішнє) покриття з м’якого синтетичного матеріалу діаметром 150..500 мкм;

• вторинне покриття (secondary coating), яке знаходиться понад первинним, тобто це друге (основне зовнішнє) покриття з твердого синтетичного матеріалу діаметром 250 або 900 мкм.

Передавальні властивості та характеристики оптичних хвилеводів обумовлені властивостями поширення електромагнітних хвиль оптичного та інфрачервоного діапазонів у відповідних діелектричних структурах - оптичних волокнах. Фізичні явища в таких волокнах дозволяють світловим променям поширюватися на дуже великі відстані без суттєвих змін, що використовують для передавання інформації. В багатьох областях, особливо в телефонній індустрії, комп’ютерних мережах, кабельному телебаченні, засобах вимірювальної техніки вигідно застосовувати оповолоконні кабелі.

Як відомо, електромагнітні хвилі, у тому числі світлового та інфрачервоного діапазонів, поширюються у вакуумі прямолінійно із швидкістю c310⁸ м/с, а в середовищах - із меншою швидкістю v=c/n, де n називають оптичним коефіцієнтом заломлення. Для вакууму або повітря оптичний коефіцієнт заломлення n=1, для сортів скла, які вживаються для виготовлення оптичних волокон, n1.5. Тому швидкість світла в склі наближено рівна v=c/n210⁸ м/с, а затримка при поширенні становить 5 нс/м. Лінію, вздовж якої поширюється світло, називають променем.

При зміні коефіцієнта заломлення середовища напрям поширення світла змінюється (явище рефракції або заломлення світла), а на поверхнях - границях розділу середовищ з різними оптичними властивостями - також відбивається. Відбиття і заломлення світла - це основні явища, які описують функціонування оптичних волокон. Відповідний добір коефіцієнтів заломлення ядра та оболонки дозволяє осягнути концентрацію енергії оптичних хвиль всередині оптоволокна (переважно всередині ядра) і здатність оптоволокна спрямовувати потік цієї енергії вздовж своєї осі. Складність електромагнітних явищ в оптоволокнах обумовлює доцільність розгляду поля світлових хвиль у вигляді спектру власних хвиль або мод подібно до того, як сигнали складної форми розкладають у спектр гармонічних складових. Моди або власні хвилі - це дискретні форми світлових хвиль, які можуть поширюватися у світловодах. Поле кожної моди поширюється в оптичному волокні як єдине ціле і описується своїми окремими характеристиками. В світловодах може поширюватися або тільки одна (основна) мода, або багато мод, кожна з яких відрізняється розподілом поля та швидкістю поширення.

Типи оптичних волокон

Для використання явищ заломлення та відбиття оптичних хвиль з метою концентрації оптичної потужності всередині оптоволокна необхідно застосовувати відповідні залежності зміни коефіцієнта заломлення від координати точки на поверхні поперечного перерізу оптоволокна. Ці залежності відомі під назвою профіль коефіцієнта заломлення (index profile). Розрізняють ступінчасті та градієнтні профілі оптоволокон.

Оптоволокно із ступінчастим профілем (step index fiber) - Оптичне волокно, в якому коефіцієнт заломлення на поперечному перерізі ядра постійний і стрибкоподібно змінюється на граничній поверхні з оболонкою. При ступінчастому профілі світловий промінь утримується всередині ядра волокна внаслідок явища повного відбиття (Total Internal Reflection - TIR). Повне відбиття виникає за умови, що кут падіння оптичної хвилі на границю розділу двох середовищ з коефіцієнтами заломлення n₁ та n₂ перевищує певне критичне значення _c, при чому sin_c = n₂/n₁ для випадку падіння хвилі із середовища 1 на середовище 2. Параметр sin_c також називають числовою апертурою (Numerical Aperture - NA).

Оптоволокно з градієнтним профілем (graded index fiber) - Оптоволокно з таким профілем коефіцієнта заломлення, який неперервно змінюється на поверхні поперечного перерізу оптоволокна. В оптичних волокнах з градієнтними профілями світловий промінь утримується всередині ядра внаслідок рефракції, визначеної відповідним вибором профілю; найчастіше такий профіль має форму параболоїда обертання.

Різницевий коефіцієнт заломлення (refractive index difference) - це відносна величина, характеризує відмінність між коефіцієнтами заломлення ядра оптоволокна та оболонки;

.

Цей коефіцієнт відомий також під назвою параметр висоти профілю; визначальний для числової апертури.

Оптичні волокна можуть розрізнятися за типами шляхів, якими поширюються промені світла, що інакше називають модами. Існують два основні типи оптоволокон - одномодові та багатомодові.

Одномодове оптоволокно (single mode fiber) - Одномодове оптоволокно - це світловід, в якому при даній робочій довжині хвилі можливе поширення лише однієї (основної) моди. В одномодовому кабелі поширюється тільки один світловий промінь. Для забезпечення цього діаметр ядра одномодового оптоволокна лежить в межах 7...10 мкм при діаметрі оболонки 125 мкм.

Багатомодове оптоволокно (multimode fiber) - Оптоволокно (світловід), у якого діаметр ядра великий порівняно з довжиною світлової хвилі і в якому через це можуть поширюватися багато мод. В багатомодових оптичних кабелях сигнал передається одночасно багатьма променями. Багатомодові волокна мають діаметри ядра в межах 50...980 мкм і діаметри оболонок в межах 125...1000 мкм. Волокна з градієнтними профілями мають діаметри ядра в межах 50...100 мкм і діаметри оболонок в межах 125...140 мкм.

Деякі поширені абревіатури для позначення типів оптоволокон.

Абревіатура	Значення (англ.)	Значення (укр.)
APF	All Plastic Fiber	пластикове оптоволокно
GIF	Gradient Index Fiber	оптоволокно з градієнтним профілем
HCS	Hard Clad Silicon	скло-пластик, тверда оболонка
PCS	Plastic Coated Silicon	скло-пластик, м’яка оболонка
SIF	Step Index Fiber	оптоволокно з ступінчастим профілем
SMF	Single Mode Fiber	одномодове оптоволокно

Розміри оптоволокна звичайно наводяться у послідовності: діаметр ядра, діаметр оболонки, діаметр покриття; усі розміри вказують у мікрометрах. Наприклад, позначення 50/125/250 означає оптоволокно з діаметром ядра 50 мкм, діаметром оболонки 125 мкм і діаметром покриття 250 мкм. Діаметр покриття часто не вказують.

Скляні оптичні волокна можуть мати різні поперечні розміри у межах максимального діаметру 1000 мкм. Найбільш вживаними є діаметри ядра волокна 10, 50, 62.5, 100 і 200 мкм і відповідні діаметри оболонки 125, 140 і 230 мкм.

В основному вживають 3 різні типи волокон:

• багатомодові волокна із ступінчастим профілем;

• багатомодові волокна з градієнтним профілем;

• одномодові волокна.

Найчастіше вживаються оптичні волокна з такими співвідношеннями діаметрів ядро/оболонка:

• для волокон із ступінчастим профілем 80..90/125 мкм

100/140 мкм

200/250 мкм

200/280 мкм

• для волокон з градієнтним профілем 50/125 мкм

62.5/125 мкм

• для одномодових волокон 9..10/125 мкм

Оптичні волокна 62.5/125 рекомендовані до застосування стандартом окабелювання будівель ANSI/TIA/EIA-568A.

Пластикові оптоволокна, тобто оптичні волокна з полімерних матеріалів мають значно більші втрати від скляних. Тому такі волокна використовують тільки для коротких відстаней. Подальша проблема полягає у синтезі штучного матеріалу з найчистішої сировини і з відповідно чистим технологічним процесом. Внаслідок відносно малої вартості та високої гнучкості матеріалу пластикові оптоволокна виготовляють з дуже великим діаметром ядра, у яке можна увести багато світла. Стандартними розмірами є 980 мкм для діаметра ядра і 1000 мкм для діаметра оболонки. Перевагами полімерних матеріалів є їх легкотопкість і висока здатність до розтягання, що використовується для виготовлення спеціальних та особливих виробів для промисловості.

Джерела випромінювання.

Напівпровідникові лазери та світлодіоди є безпосередніми перетворювачами електричних сигналів у оптичне випромінювання. Обидва типи пристроїв виготовляють із GaAlAs, GaInAsP або із GaAlAsP. Світлодіоди, вживані в оптоволоконних системах, генерують світло в діапазоні 800...1300 нм, тоді як лазерні діоди мають вужчий спектр і звичайно оперують в інфрачервоному діапазоні. Світлодіоди відносно недорогі, надійні і прості у застосуванні, оскільки їх електронні кола менш складні, ніж для лазерів. Вони вводять менше світла у оптоволокно, бо випромінюють у більш широких кутах. Світлодіоди повільніші від лазерних діодів, мають більшу область поверхневого контакту і випромінюють більш широкий спектр світла від лазерних діодів, тому більш придатні до застосування з багатомодовими волокнами для локальних сполучень, в яких проблема матеріальної дисперсії не є істотною. Якщо джерело світла в оптоволоконній системі в неперервному режимі (без модуляції) випромінює дуже вузький спектр частот оптичного діапазону, то це дуже зменшує вплив спектральної дисперсії. Однак світлодіоди мають ширину спектру випромінювання понад 20 разів більшу від лазерів, тому це приводить до більшої спектральної дисперсії.

Лазерні діоди звичайно кращі від світлодіодів, однок вони набагато дорожчі, бо мають значно складнішу структуру внаслідок високих вимог до оптичного резонатора. Вони мають меншу область поверхневого контакту, вищу швидкість (1 Гб/с порівняно із 100Мб/с) від LED, вужчий спектр, що робить їх більш придатними для одномодових волокон і великих відстаней. Вихідна потужність лазерних діодів залежить від температури і термін експлуатації менший, ніж для світлодіодів.