Глава 4.

Основные положения по конструированию и особенности технологии изготовления волоконно-оптических кабелей

4.1. Исходные положения по конструированию

волоконно-оптических кабелей

Оптические кабели представляют собой один из компонентов оптической системы передачи. В общем виде схема работы этой системы изложена в этом разделе.

В волоконно-оптической системе передачи источник света с помощью оптического модулятора посылает зашифрованную информацию в линию передачи. Управление оптическим модулятором осуществляется источником сообщения. Световая энергия на выходе линии передачи попадает в оптический приемник и далее к получателю сообщения.

Источником света обычно являются приборы, которые могут быть разделены на три группы: светодиоды (СД), суперлюминесцентные диоды (СЛД) и лазерные диоды (ЛД).

В СД излучение выводится перпендикулярно плоскости передачи. Достоинства СД—низкая стоимость и небольшие рабочие токи; основные недостатки — малая яркость излучения. Некоторые характеристики СД: мощность излучения около 1 мВт; рабочий ток около 10 мА; диаметр излучающей площадки 400 мкм; быстродействие 20 нс.

В СЛД и ЛД излучение вводится параллельно плоскости р-п-перехода. СЛД и ЛД обладают значительно более высокой яркостью, чем СД, но требуют больших токов и более качественных полупроводниковых структур, что поа ~шает их способность.

Из СД можно ввести в волокно с диаметром сердечника 50 мкм только сотые доли процента от излучения мощности. СД могут быть использованы для различного рода вспомогательных целей.

Основным преимуществом СЛД по сравнению с ЛД является более высокая стабильность излучаемой мощности и несколько меньшие рабочие токи. Недостатками являются существенно меньшая мощность, меньший КПД, худшая направленность излучения.

Основные характеристики СЛД: мощность излучения около 1 мВт; рабочий ток 0,1–0,2 А; быстродействие — 10 нс. Размер излучаемой площади в плоскости р –п- перехода определяется шириной мезаполоскового контакта, которая равна приблизительно 15 мкм. В перпендикулярном направлении диаметр площадки составляет около одного микрометра.

Характеристики ЛД: мощность излучения около 1 мВт; пороговый ток до 30 мА; диаметр излучающей площадки 1 мкм; дифракционная расходимость 60'. Такие лазеры могут быть эффективно согласованы с любыми моноволокнами, включая много- и одномодовые.

Необходимо заметить, что излучатели в оптических линиях связи используются не только для передачи информации, но и в приборах для измерения затухания и определения места обрыва оптического кабеля.

Модуляция сигнала подразумевает наложение сигнала на когерентные несущие колебания с изменением их амплитуды, фазы или частоты.

Наряду с АМ, ФМ и ЧМ возможна также модуляция интенсивности световых волн (МИ), при которой вместо амплитуды в такт и в соответствии с величиной сообщения изменяется квадрат амплитуды, т. е. интенсивность или мощность света. Модуляция по интенсивности особенно важна для световых волн, так как может быть применена к частично когерентному либо вовсе некогерентному свету.

Для передачи непрерывных сообщений применяют аналоговые системы, в которых модуляция сигнала может осуществляться методами АМ, ФМ, ЧМ и МИ.

Для передачи дискретных сообщений применяются дискретные системы. Дискретные системы связи могут быть использованы для передачи непрерывных сообщений. При этом аналоговые сигналы подвергаются квантованию и дискретизации. Квантование по уровню соответствует фиксации дискретных уровней сигнала (по амплитуде). При квантовании по времени (дискретизации) фиксируются дискретные (обычно равноотстоящие) моменты времени, при которых уровни (амплитуды) сигнала могут принимать произвольные значения.

Наибольшее применение получила импульсно-кодовая модуляция, при которой происходит квантование сигналов совместно и по уровню, и по времени.

В качестве оптических приемников применяют различные типы фотодетекторов.

Для городской оптической системы связи наиболее перспективными с точки зрения применения являются фотодетекторы ближнего инфракрасного диапазона (λ=0,7 — 1,5 мкм), к которым относятся: фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), лавинный полупроводниковый светодиод (ЛФД) и полупроводниковый фотодиод без умножения (ФД). Каждый из этих фотодетекторов обладает рядом достоинств и недостатков.

Фотоэлектронный умножитель имеет малошумящее внутреннее усиление, позволяющее пренебречь шумами нагрузки и видеоусилителя. Большая чувствительность фотокатода существенно облегчает согласование оптического кабеля с ФЭУ и позволяет получить коэффициент ввода излучения в фотодетектор, близкий к 100 %. Однако высокое напряжение питания (2000 В), невысокая квантовая эффективность (0,3 — 0,4 %), сравнительно большие габариты ограничивают их применение в оптических системах связи.

Полупроводниковый фотодиод обладает высокой квантовой эффективностью (80 - 90%), использует источник питания 10 — 30 В с малым потреблением мощности, имеет относительно небольшие размеры фоточувствительной площадки, позволяющие хорошо согласовать ФД с оптическим кабелем. Кроме того, ФД характеризуется малыми размерами, отсутствием избыточных шумов, достаточно большим сроком службы.

Однако отсутствие внутреннего усиления, низкая чувствительность в широкой полосе частот, необходимость автоматической регулировки усиления, более сложная схема оптимальной обработки сигнала и шума характеризуют недостатки этого изделия.

Лавинный фотодиод характеризуется высокой квантовой эффективностью (70 — 90 %), наличием внутреннего усиления, малыми габаритами, низковольтным источником питания (25 — 100 В), сроком службы до 10000 ч. Тем не менее большой коэффициент шума, очень малые размеры фоточувствительной площадки (диаметр около 50 мкм), затрудняющие эффективное согласование фотодетектора с оптическим кабелем, необходимость жесткой стабилизации источника питания, обязательная термостабилизация фотодетектора при работе в широком диапазоне температур являются недостатками ЛФД.

В качестве среды передачи используются оптические кабели. Они должны надежно работать в самых широких диапазонах температур и давлений, обеспечивая при этом минимальное тепловое рассеивание энергии, минимальное искажение уровня и формы сигнала, передаваемых по ним. Малое относительное удлинение оптического волокна (менее 0,5%), чувствительность к малейшим деформациям приводит к тому, что конструирование оптических кабелей имеет ряд особенностей, несвойственных принципам конструирования обычных кабельных изделий. Ниже будет рассмотрен ряд рекомендаций, позволяющих методологически обосновать подход к конструированию оптических кабелей исходя из требований к его оптическим и механическим характеристикам.

Общая схема конструирования ОК может быть сформулирована [1, 2, 3] следующим образом: определение параметров ОК на основе общих требований к оптической линии связи; расчет механической прочности ОК и выбор конструкции; расчет уровня затухания ОВ, применяемого для изготовления ОК.