Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Развитие волоконно-оптических линий связи. Учебное пособие для СПО

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

1 / 81 2 3 4 5 6 7 8 > Следующая >>>

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

_________________________________________________________________

Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ)

И.Б. Елистратова, А.Е. Аникеева

РАЗВИТИЕ

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ

ЛИНИЙ СВЯЗИ

Учебное пособие для СПО

Саратов

Профобразование

2024

УДК 621.315 ББК 32.886.3

Е51

Рецензенты:

Пальчун Ю.А. — д-р техн. наук, проф.;

Борисов А.В. — канд. техн. наук, доц.

Елистратова, Ирина Борисовна.

Е51 Развитие волоконно-оптических линий связи : учебное пособие для

СПО / И.Б. Елистратова, А.Е. Аникеева ; Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики. — Саратов : Профобразование,

2024. — 72 с. — (Среднее профессиональное образование). — Текст : электронный.

ISBN 978-5-4488-1895-0

В учебном пособии рассмотрены особенности передачи информацион-

ных сигналов по оптическим линиям связи; физические процессы, возникающие при передаче оптического излучения; нелинейные явления, возникающие при взаимодействии интенсивной световой волны с оптической средой, основные параметры передачи; особенности производства кварцевого волокна и стандарты световодов. Отдельное внимание уделено новым

способам передачи информационного сигнала по световодам.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по укрупненной группе специальностей среднего профессионального образования «Электроника, радиотехника и системы связи», изучающих дисциплины «Технология монтажа и обслуживания цифровых и волоконнооптических систем передачи», «Магистральные линии связи, строительство и эксплуатация волоконно-оптических линий передачи», «Эксплуатация и техническое обслуживание волоконно-оптических и медножильных кабельных линий».

Учебное электронное издание

Обложка Я.А. Кирсанов, С.С. Сизиумова, фотобанк Freepik

ISBN 978-5-4488-1895-0 © Елистратова И.Б., Аникеева А.Е., 2023 © Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики, 2023 © Оформление. ООО «Профобразование», 2024

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………...

1. Особенности передачи информационных сигналов по оптическим

линиям связи………………………………………………………………....

1.1. Изготовление оптических световодов……………………………….

1.2. Механическая прочность световода.......................................................

1.3. Конструкция оптического световода………………………………...

1.4. Анализ распространения излучения по световоду ...............................

2. Передаточные параметры волоконного световода……………………..

2.1. Оптические потери в световодах…………………………………..

2.2. Дисперсионные характеристики …………………………………...

2.3. Компенсация полной дисперсии в линии передачи ...........................

3. Нелинейные эффекты в волоконной оптике……………………………

4. Дополнительные потери при соединении и изгибе оптических световодов …………………………………………………………………..

5. Конструкция и надежность волоконно-оптических линий связи……..

5.1. Механические воздействия на ВОК..................................................

5.2. Расчет тяговых усилий при подвесе ОК …………………………..

6. Развитие оптических световодов ……………………………………….

6.1. Многомодовые оптические световоды……………………………..

6.2. Фотонно-кристаллическое волокно…………………………………

6.3. Квантовые сети……………………………………………………….

7. Контрольные вопросы и задачи………………………………………….

Список используемых сокращений………………………………………..

Список используемых источников…………………………………………

ВВЕДЕНИЕ

Линии передачи с оптической средой в настоящее время активно участвуют в формировании телекоммуникационных систем. Малые потери в используемом оптическом диапазоне обеспечили передачу информационного сигнала на большие расстояния. Современные технологии позволили передавать информационный сигнал с большой скоростью, на сегодняшний день скорость передачи может превышать 100 Гбит/с.

Разработаны и совершенствуются следующие стандарты на световоды, предназначенные для передачи информационного сигнала по светопропускающему материалу: G.651, G.652, G.653, G.655, G.656, G.657.

Кроме существующих стандартов, разрабатываются новые методы передачи световой волны, обеспечивающие усовершенствование телекоммуникационных систем.

В учебном пособии изложены особенности передачи информационных сигналов по оптическим линиям связи; физические процессы, возникающие при передаче оптического излучения; основные параметры передачи; особенности производства кварцевого волокна; конструкция оптических кабелей и пассивные компоненты оптических систем, рассмотрены специальные типы волокон. Уделено внимание развитию новых стандартов и новым способам передачи, таким, как квантовые сети.

1. Особенности передачи информационных сигналов по оптическим

линиям связи

1.1. Изготовление оптических световодов

Передача светового излучения осуществляется по оптическому волокну – световоду [2].

При выборе материалов для волоконной оптики учитывались функциональные назначения:

− пассивные или передающие оптические материалы, предназначенные

для передачи информации в виде оптических сигналов или изображения на большие, средние или короткие расстояния;

− активные оптические материалы, предназначенные для проведения

разнообразных функциональных операций со световыми сигналами и потоками, для усиления, модуляции, изменения плоскости поляризации и т.д.

Для первого типа используются высокочистые, прозрачные и однородные неорганические стекла, которые можно разделить по спектральному диапазону на:

− ультрафиолетовые материалы, у которых используемый диапазон 200 – 400 нм;

− материалы видимого и инфракрасного диапазона с используемым диапазоном 400 – 3000 нм);

− среднего инфракрасного диапазона (3 – 8 мкм), к которым относятся безкислородные фторидные и халькогенидные стекла;

− дальнего инфракрасного диапазона (рабочая область 8 – 20 мкм), к которым относятся безкислородные фторидные и халькогенидные стекла.

Прочность кварцевых световодов в герметичном покрытии на

растяжение достигает 12-14 ГПа, что существенно выше прочности стали, а расчетный предел прочности составляет 15-25 ГПа. В полимерном покрытии световоды менее прочны (примерно в два раза), чем в герметичной металлической оболочке, за счет влияния влаги на процесс разрушения стекол. Приложение высоких температур при изготовлении световодов позволяет избавиться от различных примесей и сделать стекло сверхчистым, что существенно уменьшает затухание в кварцевом стекле, обусловленное внутренним рассеянием света и поглощением.

Температурный коэффициент расширения (ТКЛР) равен 5•10-7 1/градус, что намного ниже по сравнению с тугоплавкими материалами. Данный низкий ТКЛР делает кварцевое стекло термостойким, т.е. нагретые до температуры

1000-12000С кварцевые стержни не разрушаются при погружении их в воду.

В противоположность кварцу кварцевое стекло – это аморфный, т.е. некристаллический затвердевший стекловидный расплав, который является твердым веществом только благодаря своей высокой вязкости. Оно не имеет

точку плавления, а при высоких температурах оно становится все более

Логарифм вязкости lg η

Описание

Температура кварцевого

стекла, 0С

7,6

Точка размягчения

1730

Точка отжига

1180

14,5

Точка упругой деформации

1075

мягким и испаряется прямо из этого состояния, минуя жидкую фазу. Вязкость является существенной характеристикой для производства стекла в целом и для его обработки. С ее помощью описывается внутренне трение в кварцевом стекле. Оно обозначается ɳ и может быть выражена в единицах деципаскальсекунд, при этом 1 деципаскальсекунда (дПа•с)=1г/см•с. В кварцевом стекле вязкость уменьшается монотонно по мере роста температуры. Данная зависимость представлена на рисунке 1.6. Верхняя и нижняя точки отжига ограничивает область стеклования или превращения, т.е. переход из упруговязкого состояния переохлажденного расплава к хрупкому состоянию кварцевого стекла. В области точки размягчения форма тела кварцевого стекла изменяется под воздействием собственного веса [4,5].

Рисунок 1.1 – Зависимость логарифма вязкости кварцевого стекла от

температуры

Таблица 1.1 – Параметры вязкости кварцевого стекла

Для изготовления световодов формируется двухслойное кварцевое стекло. Первый слой носит название «сердцевина» и характеризуется несколько большим показателем преломления, нежели второй слой – оболочка. Для формирования различных слов используются примеси. Для понижения показателя преломления возможно использовать оксид бора или фтор (показатель преломления стекла уменьшается на 0,2% при изменении молярной концентрации фтора на 1%). Легирование фтором по сравнению с оксидом бора не влияют на оптические свойства кварца, т.е. не увеличивают внутренне рассеяние света, но увеличивают вероятность возникновения

трещин и, как следствие, уменьшает прочность стекла, а также делает кварц

ос

зз









более чувствительным к диффузии водорода. Такие добавки, как GeO2, P2O5, Al2O

чистым кварцем без ухудшения его оптических свойств. Так, кварц с добавкой германия (GeO2) для изготовления сердцевины имеет широкое окно прозрачности (минимальные затухания) вплоть до 1,7 мкм, фосфорный ангидрид (P2O5) ведет к небольшому повышению внутреннего поглощению и рэлеевскому рассеянию, но является более дешевым легирующим материалом. Оксид алюминия (Al2O3) имеет меньшие потери на рассеяние, чем германий, но обладает низким значением вязкости, что ведет к более быстрому затвердеванию.

этапов:

введенного в него света лишь в случае формирования в нем определенного профиля показателя преломления. Для этого в сердцевину заготовки для волокна вводят химические добавки, несколько увеличивающие показатель преломления синтетического кварца [4,5].

основанные на процессе химического парафазного осаждения (CVD – Chemical Vapor Deposition). Данные методы позволяют создавать материалы чрезвычайно высокой чистоты. Для вытяжки волокон используется практически одинаковая технология и оборудование, а все различия в методах изготовления волокон проявляются только на стадии изготовления заготовки. Эти различия обусловлены в основном тем, что для массового производства волокон необходимы заготовки большого размера. Для оценки времени, затраченного на изготовление заготовки, можно использовать выражение (1.1)

приводят к увеличению показателя преломления по сравнению с

Современное производство оптических волокон состоит из следующих

− изготовление заготовки волокна (преформы) с заданным профилем

показателя преломления;

− вытяжка волокна из заготовки.

Оптическое волокно обеспечивает заданный режим распространения

При производстве заготовки в настоящее время используются методы,

, (1.1)

где νос – скорость осаждения химических элементов;

ρ – плотность кварцевого волокна (2.2 г/см3); Lз – длина заготовки; Dз – диаметр заготовки.

В различных вариантах CVD процессов скорость осаждения слоев изменяется в достаточно широких пределах от 0,5 г/мин до 6 г/мин.

В настоящее время применяются четыре основных варианта CVD процесса:

− внутреннее парафазное осаждение (IVD – Inside Vapor Deposition) и его усовершенствованные варианты – модифицированное химическое парафазное осаждение (MCVD – Modified Chemical Vapor Deposition);

− внешнее парафазное осаждение (OVD – Outside Vapor Deposition);

− осевое парафазное осаждение (VAD – Vapor Axial Deposition);

− плазменное парафазное осаждение (PCVD – Plasma Chemical Vapor

Deposition).

Внутренне парафазное осаждение

В варианте CVD в качестве кварцевой подложки используется опорная

трубка, на внутреннюю поверхность которой осаждались слои стеклообразующего окисла SiO2 и легирующего окисла GeO2, образовавшегося в результате гидролиза в пламени. Для этого в горелку подавали смесь тетрахлорида кремния (GeCl4) и легирующего хлорида (GeCl4) с кислородом О2 и горючим газом. Продукты гидролиза в пламени прикачиваются через опорную трубку, нагретую в печи до температуры, необходимой для стеклования осаждаемых на нее слоев. Меняя концентрацию легирующих хлоридов, можно менять величину показателя преломления наносимых слоев и создавать заготовки с заданным профилем. После нанесения нужного числа слоев опорная кварцевая трубка нагревается до температуры плавления кварцевого стекла и схлопывается под действием сил поверхностного натяжения в сплошную заготовку.

Возможность получения сверхчистого кварцевого стекла в CVD

процессе обусловлена тем, что тетрохлорид кремния хорошо очищается при низкой температуре (58 С0), поэтому примеси, которые приводят к дополнительным потерям в рабочем диапазоне длин волн, остаются в жидком состоянии, а также на начальной стадии разработки потери возникают из-за рассеяния света на пузырьках, образующихся в слоях кварцевого стекла. От данных пузырьков избавляются за счет откачки паров из зоны реакции, но полностью проблема удаления излишков паров воды нерешена. Для повышения показателя преломления используется германий.

Данный метод был запатентован компанией Corning в 1973 году и

характеризуется следующими параметрами:

− скорость осаждения 0,1-0,5 г/мин, что ограничивает возможность применения данного метода для массового производства волокон;

− для изготовления заготовки необходимо использовать прецизионную опорную трубку;

− малый диаметр заготовки – около 10 мм, что позволяет вытянуть около 5-10 км волокна.

В Bell Laboratory для изготовления оптического волокна используется

модифицированный метод внутреннего парафазного осаждения (MCVD), отличающийся от предыдущего метода тем, что газовая горелка расположена снаружи и пары воды, образующиеся в ее пламени, не попадают в слои стекла, осаждающиеся за счет теплового окисления внутри опорной трубки.

Однородность геометрических параметров заготовки в значительной степени определяется однородностью геометрических параметров опорной кварцевой трубки, которая на первой стадии изготовления омывается плавиковой кислотой и дистиллированной водой, далее высушивается. Вдоль вращающейся опорной трубки перемещается кислородно-водородная горелка, обеспечивающая температуру нагревания трубки в горячей зоне 1500 – 17000С, достаточной для осаждения на нее горячих слоев SiO2 и GeO2. Вращение трубки обеспечивает ее равномерный прогрев и осесимметричное осаждение окислов на ее внутренней поверхности. После полировки ОКТ в пламени горелки в трубку подается парогазовая смесь, образующаяся при прокачке кислорода через смесители, заполненные жидкими галоидами кремния, германия и т.д. Закон изменения смеси зависит от типа волокна. В горячей зоне происходит окисление окислов первоначально в виде мелкодисперсного порошка, а далее порошок проплавляется и превращается в слой стекла. После осаждения заданного числа слоев температура горячей зоны увеличивается до 1900-21000С, опорная трубка размягчается и схлопывается под действием поверхностных сил в сплошной стеклянный цилиндр – заготовку. Максимальная скорость осаждения составляет 0,5-1 г/мин. Для внедрения данного метода в производство необходимо уменьшить время изготовления заготовки. В этих целях ту часть волокна, которая не участвует в процессе передачи света, а определяет только геометрические и механические характеристики волокна, образовывают только из ОКТ.

Внешнее парафазное осаждение

В 1977 году фирма Corning разработала метод внешнего осаждения

OVD. В данном методе тоже используется процесс гидролиза в пламене, но

вместо ОКТ применяется затравочный стержень диаметром 5-19 мм на который направляется поток порошкообразных частиц стекла и легирующих окислов, образующихся в пламени горелки. Частицы стекла прилипают к стержню и формируют многослойную микропористую заготовку. Скорость осаждения 3-4 г/мин. Неосевшие порошкообразные частицы стекла и газообразные побочные продукты гидролиза в пламени удаляются через вытяжную трубу. Очень часто ОКТ изготавливаются именно с помощью данного метода [4,5].

После осаждения частиц микропористая заготовка легко снимается с затравочного стержня и помещается в печь с инертным газом, где остекловывается при температуре 15000С. Газы, вытесняемые из заготовки во время остеклования, выходят через микропоры и не захватываются в виде пузырьков. При обработке заготовки газообразным хлором удаляются примеси гидроксила. Основным недостатком данного метода является формирование дефектов:

− при схлопывании заготовка стремится деформироваться в стержень

эллиптического сечения;

− формирование провала в профиле показателя преломления за счет

высокой температуры, которая необходима для размягчения, что

способствует усилению диффузии легирующей примеси к поверхности слоев и их испарению.

Оба дефекта – эллиптичность и провал в профиле показателя преломления – передаются волокну в процессе вытяжки.

Осевое осаждение

Японские компании (Sumitomo, Hitachi, Fujikura, Furukawa) используют метод VAD как наиболее подходящий для массового производства телекоммуникационных волокон. Данный метод позволяет изготавливать заготовки практически бесконечной длины, которая растет в осевом направлении, а профиль показателя преломления задается путем изменения концентрации примесей по радиусу. Скорость осаждения 4-6 г/мин. Для формирования заготовок используется несколько кислородных горелок, что увеличивает производительность. Одна горелка осаждает продукты гидролиза в пламени на торцевую поверхность затравочного стержня, формируя сердцевину заготовки, другие горелки формируют оболочку заготовки. Далее микропористая заготовка нагревается в печи до 16000С, и в результате стеклования получается прозрачная заготовка, т.е. в данном методе отсутствует операция схлопывания, что позволяет избежать дефектов, возникающих в OVD методе.

Плазменное парафазное осаждение

Наиболее перспективным методом изготовления заготовки является PCVD метод, который позволяет формировать показатель преломления волокон с очень высокой точностью, мало подвержен влиянию окружающей среды и хорошо подходит для промышленного производства оптических волокон всех типов. В данном методе используется неизотермическая плазма, которая образуется с помощью СВЧ резонатора в смеси паров SiCl4, GeCl4, C2F6 (фреон) и О2, прокачиваемых через опорную трубку. Тетрахлорид кремния SiCl

взаимодействуя при высокой температуры с кислородом,

образует сверхчистое стекло. В реакции галоидов германия GeCl4 с кислородом образуется примесь двуокиси германия GeO2 для увеличения профиля показателя преломления в сердцевине волокна. Для понижения профиля показателя преломления используется фтор, образующийся при окислении фреона.

В неизотермической плазме температура электронов (100000С) значительно превышает температуру ионов (12000С), которая близка к температуре опорной кварцевой трубки. Образовавшиеся в плазме частицы моноокиси кремния, атомарного кислорода и примесей галоидов диффундируют к стенке ОКТ и осаждаются не ее поверхности. Скорость осаждения 1-2 г/мин.

При воссоединении частиц на стенке ОКТ выделяется дополнительное тепло, поэтому реакция окисления идет сразу с образованием стеклянных слоев, минуя порошковую стадию. Число осажденных слоев (особенно для градиентных волокон) является важнейшим параметром, характеризующим

1 / 81 2 3 4 5 6 7 8 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]