6.ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
6.1.Направляющие системы в телекоммуникациях
По линиям передачи электрические сигналы распространяются со скоростью близкой к скорости света 300000 км/с. Однако, не следует думать, что и электрон перемещается с такой скоростью.
В зависимость от среды, по которой передаются сигналы, все существующие типы линий связи принято делить на две группы – проводные и беспроводные (радиолинии).
Кпроводным относятся все типы линий, в которых сигналы распространяются вдоль специальной, искусственно создаваемой и непрерывной направляющей среды. В простейшем случае проводная линия связи представляет собой физическую цепь, образуемую парой проводов, по которым распространяется электрический ток (сигнал). Если провода не имеют специального изолирующего покрытия, их разносят в воздушном пространстве на определенное расстояние друг от друга. При этом роль изолирующего материала выполняет слой воздуха между проводами. По сложившейся терминологии такие проводные линии называются воздушными линиями связи. Проводные линии, образованные проводами, имеющие изоляционные покрытия и помещенные в специальные защитные оболочки, называются кабельными линиями связи, или кабелями связи.
Кпроводным относятся также линии, использующие в качестве среды распространения сигналов диэлектрические материалы, в частности тонкие стеклянные волокна. Такие линии получили название волоконно-оптических линий связи. Термин радиолиния распространяется на все типы линий, в которых сигналы электросвязи, передаются в открытом пространстве в виде радиоволн.
Было время, когда сигналы электросвязи передавались только по воздушным линиям электросвязи. Относительная простота, небольшие стоимость и сроки сооружения воздушных линий обеспечили им в свое время широкое применение. Однако возможности воздушных линий вскоре были исчерпаны, и они уступили место более совершенным кабельным линиям связи. Дело в том, что воздушные линии не могут пропускать одинаково эффективно все сигналы электросвязи. Например, они не в состоянии пропускать сигналы телевизионного вещания и сигналы высокоскоростных систем передачи данных. Кроме того, воздушные линии подвержены сильным влиянием климатических условий. Даже безобидное с виду раскачивание проводов под влиянием слабого ветра приводит к усталостному разрушению металла проводов. Под действием влаги и различных веществ, содержащихся в атмосфере, они постепенно ржавеют и разрушаются. И уже вовсе безжалостно расправляется с воздушными линиями разбушевавшаяся стихия: ураган рвет провода, валит опоры, молния в щепки разбивает, сжигает деревянные опоры, гололед приводит к такому обледенению, что провода не выдерживают во
60
много раз увеличившуюся массу и рвутся. В настоящее время доля воздушных линий постоянно уменьшается.
Сегодня основным типом проводных линий связи являются кабельные. Современные кабели связи весьма разнообразны по конструкции, условиям прокладки, возможностям и области применения. По конструкции и взаимному расположению проводников различают симметричные и коаксиальные кабели. Основными элементами кабелей являются токопроводящие жилы (пара проводов), образующие электрическую цепь. В симметричных кабелях такие цепи получаются с помощью одинаковых по конструкции изолированных проводников. Электрические цепи в коаксиальных кабелях образуются двумя цилиндрическими проводниками с совмещенными осями, причем один проводник (сплошной цилиндр) расположен внутри другого, полого.
На рис. 6.1 показана конструкция однопарных симметричного и коаксиальных кабелей. Как видно из рисунка, изолированные проводники симметричного кабеля помещены в металлическую трубку, служащую экраном, защищающим проводники от мешающего влияния различных внешних электромагнитных полей. Поверх экрана имеется изолирующая оболочка, предохраняющая кабель от влияния агрессивных сред. В коаксиальных кабелях взаимное расположение проводников обеспечивается с помощью специальной арматуры, изготовляемой из диэлектрического материала. Внешний проводник пары имеет изолирующую оболочку.
Рис. 6.1: Однопарные кабели связи: а-симметричный; б-коаксиальный;
По условиям прокладки и эксплуатации различают подземные, подвесные и подводные кабели. Они отличаются конструкцией и материалом изолирующих оболочек и защищенных покровов. В земле и воде прокладывают кабели, бронированные стальными лентами или проволокой, которые придают кабелю особую механическую прочность. В городах кабели прокладывают в специально сооруженную канализацию, состоящую из трубопровода и смотровых колодцев.
61
Рис. 6.2: Комбинированный междугородний КМБ-8/6
Возможности и область применения кабелей определяются шириной полосы пропускания сигнала, т.е. рабочим диапазонам частот и емкостью кабеля. Емкостью кабеля называется число пар проводников, заключенных в общую оболочку. Современные кабели связи, как правило, имеют не одну, а несколько симметричных и коаксиальных пар, либо тех и других одновременно.
На рис. 6.2 показано сечение мощного комбинированного междугородного кабеля марки КМБ-8/6, имеющего 15 коаксиальных пар различного диаметра, 8 симметричных пар и 6 отдельных жил. По такому кабелю можно организовать тысячи телефонных разговоров одновременно.
Однако процесс передачи электромагнитной энергии по направляющим системам не так прост, как может показаться на первый взгляд.
Поверхностный эффект. Когда по проводнику протекает синусоидальный (переменный ток) ток, вокруг движущихся в металле электронов возникают электрическое и магнитное поля. Чтобы убедиться в существовании электрического поля, достаточно поместить вблизи проводника пробный электрический заряд (например, заряженный листок или бусинку). Если поле есть, то заряд сдвинется с места. Обнаружить магнитное поле можно с помощью пробной магнитной стрелки: она будет поворачиваться. Электрическое и магнитное поле рассматривают вместе как единое электромагнитное поле.
Попробуем увеличить частоту синусоидального тока в проводнике. Десятки герц…,сотни герц…, килогерцы…, сотни килогерц. Мы вдруг начинаем с удивлением обнаруживать (естественно, с помощью приборов), что ток с ростом частоты все сильнее и сильнее вытесняется из толщи проводника к его поверхности. Электромагнитное поле вне проводника возрастает, и вот на очень высоких частотах (превышающих сотни и даже тысячи мегагерц) ток полностью вытесняется из проводника. Проводник начинает излучать всю электромагнитную энергию в пространство. Передача ее по проводу прекратилась. Провод превратился в антенну.
62
Описанное явление – вытеснение тока к внешней поверхности проводника
– получило у специалистов название поверхностный эффект. И оно не столь уж загадочно. Существует довольно простое объяснение поверхностного эффекта.
В 30-х годах XIX в. английский физик М. Фарадей (1791 – 1867) обнаружил, что в проводнике, помещенном в переменное магнитное поле, возникает ток. Так вот, все дело в том, что наш проводник оказался помещенным в собственное магнитное поле и под его воздействием в толще проводника образовалось множество замыкающихся по кольцу вихревых токов. У поверхности проводника эти токи направлены так же, как и основной ток, и поэтому увеличивают его. В толще же проводника вихревые токи оказываются направленными против основного тока и, следовательно, уменьшают его (рис. 6.3).
Рис. 6.3 Поверхностный эффект
Мы рассмотрели один провод, тогда как для передачи сигналов используются два провода – прямой и обратный (нужно, чтобы цепь тока была замкнутой). Каждый из проводов образует свое электромагнитное поле. Их взаимодействие дает несколько более сложную картину поля, однако эффект излучения поля вне проводов остается практически неизменным – с ростом частоты излучение увеличивается.
В городских телефонных кабелях под одной «крышей» – оболочкой – собрано большое число пар проводов. Представим себе, что цифровые сигналы (импульсы) передаются только по одной паре проводов (или, еще говорят, по одной цепи), а по другим парам в это время ничего не передается. Тем не менее и в остальных «нерабочих» парах можно зарегистрировать те же самые сигналы, правда очень слабые. И чем дальше «нерабочая» пара расположена от «рабочей», тем слабее в ней сигналы.
Однако чем выше скорость передачи импульсов (помните, это означает, что сигнал состоит из синусоидальных токов более высоких частот), тем уверенней мы будем регистрировать их в «нерабочих» парах. Виной тому – увеличивающееся на высоких частотах электромагнитное излучение. Может оказаться и так: при большой скорости передачи влияние одной цепи на другую будет столь велико, что когда по этой второй цепи будут передаваться «свои» сигналы, их будет очень трудно отделить от «чужих».
63
Взаимные влияния между цепями и большое ослабление сигнала на высоких частотах не позволяют увеличить скорость передачи информации более 2 Мбит/с по городским телефонным кабелям. Поэтому возникают трудности с передачей программ цифрового телевидения. При использовании сжатия информации и помехоустойчивого кодирования, применяемых в технологиях xDSL, на абонентском участке небольшой протяженности возможна передача ТВ программ.
Рис. 6.4. Поперечное поле коаксиальной цепи
Иное дело коаксиальный кабель. Один проводник коаксиальной пары является обычным сплошным проводом, а другой (по которому ток возвращается обратно) – это полый медный цилиндр. Причем сплошной проводник помещен внутрь полого. Отсюда и название – коаксиальная пара, что означает «имеющая общую ось» (coaxis – соосный). Чтобы строго выдержать соосность проводников, пространство между ними заполняют изолирующим материалом (сплошным полиэтиленом, полиэтиленовыми шайбами и т.п.). Придумал такую конструкцию пары проводников еще в 1912 г. профессор Петербургского электротехнического института П.Д. Войнаровский (1886 – 1913), а использовать ее в кабелях связи предложил в 1934 г. американский изобретатель С.А. Щелкунов (рис. 6.4).
Эффект близости. Эффект близости связан с взаимодействием внешних полей (рис. 6.5). Внешнее магнитное поле H провода a , пересекая толщу провода б, наводит в нем вихревые токи. На поверхности провода б, обращенной к проводу a , вихревые токи совпадают по направлению с протекающим по нему основным током. Образуется суммарный ток I + IВ.Т. . На
противоположной поверхности провода б они направлены навстречу основному току, образуя разностный токI − IВ.Т. . Аналогичное
перераспределение токов происходит и в проводе a .
64
Рис. 6.5 Эффект близости
При взаимодействии вихревых токов с основным плотность результирующего тока на обращенных друг к другу поверхностях проводов a и б увеличивается, а на отдаленных – уменьшается. Это явление («сближение» токов в проводах a и б) носит название эффекта близости. Из-за неравномерного распределения плотности тока увеличивается активное сопротивление цепи. Эффект близости прямо пропорционален квадратному корню из частоты, магнитной проницаемости, проводимости и диаметру провода и, кроме того, зависит от расстояния между проводниками. С приближением проводников друг к другу действие эффекта близости возрастает.
Коаксиальная пара это поистине замечательно изобретение! Она практически не излучает электромагнитную энергию в пространство, а следовательно, не будет оказывать влияние на соседние цепи связи. Такое «тихое» соседство имеет, как мы знаем, принципиально важное значение, поскольку позволяет повысить скорость передачи данных.
Ток во внутреннем проводнике с ростом частоты также вытесняется на его поверхность. Этот процесс не отличается от описанного выше. Но вот внешний проводник… Магнитное поле внутреннего проводника наводит в его металлической толще вихревые токи. На наружной стороне полого проводника они направлены против основного тока («срабатывает» знакомое из школьного курса физики правило буравчика) и тем самым уменьшают, ослабляют его. На внутренней поверхности полого проводника вихревые токи совпадают с основным и, естественно, увеличивают его. Таким образом, ток в полом цилиндре вытесняется не наружу, а внутрь коаксиальной пары. Поэтому электромагнитное поле концентрируется внутри коаксиальной пары и не излучается вне ее.
С ростом частоты поле все сильнее и сильнее концентрируется между внутренним и внешним проводниками. Именно поэтому по коаксиальным парам потоки информации могут «нестись» с колоссальной скоростью, превышающей сотни миллионов бит в секунду.
Окружающие металлические массы также воздействуют на параметры цепи. Магнитное поле, создаваемое током, протекающим по проводникам цепи, наводит вихревые токи в соседних жилах кабеля, в окружающем экране, металлической оболочке, броне и т.д. Вихревые токи нагревают металлические
65
части кабеля и создают дополнительные тепловые потери энергии, что выражается как бы в «отсасывании» некоторой доли энергии, передаваемой по цепи. Кроме того, поле вихревых токов воздействует на проводники цепи и изменяет их параметры.
В коаксиальных цепях вследствие специфичности конструкции силовые линии магнитного поля располагаются в виде концентрических окружностей внутри пары. Электрическое поле также замыкается по радиальным направлениям между внутренним и внешним проводниками (рис. 6.4). Поэтому в коаксиальной цепи отсутствует внешнее поперечное электромагнитное поле – вся энергия распространяется только внутри цепи.
Рис. 6.6: Концентрация токов на |
Рис. 6.7: Типовые частотные зависи- |
|
обращенных друг к другу |
||
мости первичных параметров |
||
поверхностях проводников а и б |
||
|
||
коаксиальной пары |
|
Действие поверхностного эффекта в значительной степени проявляется только во внутреннем проводнике a коаксиальной пары (рис. 6.6). Перераспределение же плотности тока по сечению проводника б обусловлено эффектом близости к нему проводника a вследствие сильного взаимодействия их полей (поле проводника a целиком охватывается проводником б). В результате ток в проводнике б перераспределяется так, что его плотность возрастает в направлении внутренней поверхности, т.е. токи в проводниках a и б концентрируются на взаимообращенных поверхностях проводников. Чем выше частота, тем сильнее проявляются эффекты и все поле сосредотачивается внутри коаксиального кабеля (в изоляции), а проводники лишь задают направление распространение электромагнитной энергии.
Таким образом, действие поверхностного эффекта и эффекта близости как в симметричных, так и в коаксиальных цепях проявляется в уменьшении эквивалентной площади сечения проводников, что приводит к увеличению их активного сопротивления R и уменьшению внутренней индуктивности Lвнутр
(рис. 6.7). Полная индуктивность цепи с увеличением частоты снижается за
66
счет уменьшения внутренней индуктивности. При достаточно высоких частотах (весь ток течет по поверхности проводника) она становится равной межпроводной индуктивности Lвнеш.
Кабели связи как и воздушные линии подвержены внешним влияниям. Кабель связи испепеляет молния, съедает электрокоррозия, с увеличением частоты растут потери, рвет на куски вечная мерзлота и движение почвы. На него расходуется один из самых дефицитных металлов медь, запасы которой в природе ограничены.
Растут темпы электрификации железных дорог. Более половины грузооборота на железнодорожном транспорте страны приходится на долю электровозов. Расширяется сеть мощных радиовещательных станций, их число постоянно увеличивается.
Возникает, естественно, вопрос – какое отношение это имеет к теме нашего разговора о кабелях связи? Оказывается, самое непосредственное. Все эти сооружения: и линии электропередач, и электрифицированные линии железных дорог, и радиовещательные станции – излучают электромагнитные колебания. Оказывая влияние на кабельные цепи, они мешают нормальной передаче импульсов – «забивают» их. Вот уж, поистине, нелегко битам путешествовать по «медной колее»!
В северном портовом городе Игарка существует весьма любопытная шахта, спускаясь в которую можно увидеть вечную мерзлоту «в разрезе». Сначала вы увидите поверхностный слой почвы (около 1,5 м), она оттаивает в летнее время и промерзает в зимнее. Затем в бурых пластах земли перед вами предстанут голубые прожилки ископаемого льда. А еще ниже – сплошные массивы льда. В этом слое обнаруживаются неожиданные находки: останки давным-давно вымерших животных, иногда даже с мясом, кожей и шерстью. Своего рода холодильникпланеты, хранящий животный мир прошлого.
Вечная мерзлота, особенно ее верхние слои, оттаивающие и вновь промерзающие, – это весьма коварная и обманчивая вещь. Сила замерзающей воды огромна. Попробуйте наполнить до отказа металлический сосуд (например, домашний сифон) водой, закройте плотно пробку и выставьте на мороз. Как только вода в сифоне начнет замерзать, он взорвется подобно бомбе! Неудивительно, что даже дома в районах вечной мерзлоты строят особым способом: они лишены фундамента, их ставят на сваях.
Связистам также хорошо знакомо «коварство» вечной мерзлоты. При промерзании и оттаивании грунт, где лежит кабель, может вдруг вспучиваться или сжиматься, причем с огромной силой, достигающей 100 – 150 кН (10 – 15 т). Появляются трещины, сдвиги грунтов, которые буквально рвут подземный кабель на части. Для того чтобы кабель был прочнее, его покрывают сверху круглой проволочной броней. Но и это не всегда помогает. Велика сила стихии! Это особенно чувствуется в начале зимы и весны.
Вечная мерзлота – не единственная «смертельная» опасность для «медной магистрали». Знаете ли вы, как часто на земле бывают грозы? Ежедневно до 45 тыс. гроз! И 8 млн раз сверкает молния!
67
Известно, что воздух – плохой проводник электричества. Поэтому молния чаще всего ударяет в какой-либо высокий предмет, а также в металлические предметы, которые хорошо проводят электрический ток. Во все времена удары молнии приносили много бед людям. Сила атмосферных разрядов буквально поражает воображение. Ток в молнии может достигать сотен тысяч ампер (в обычной электрической лампе он не превышает 0,5 А). Во время разряда воздух в молниевом канале разогревается до 30000°С (температура на Солнце
– в 5 раз меньше!).
Не обходит молния стороной и кабель, особенно в районах интенсивной грозовой деятельности. Попадая прямо в кабель, молния может разорвать ленточную броню, расплавить свинцовую оболочку, обуглить изоляцию, наконец, просто испепелить куски кабеля. При этом «очаги поражения» можно обнаружить не только в месте удара молнии, но и на значительном расстоянии – до десятка километров в каждую сторону от места удара молнии в кабель. Поистине – грозная стихия. Известны случаи, когда молния «била» не непосредственно в кабель, а в землю на значительном расстоянии от него, и все же кабель повреждался: возникала могучая электрическая дуга, которая и служила причиной повреждения.
С давних пор люди пытаются защитить себя от молнии. В мифологии существует легенда о том, как древнеримский языческий бог полей и лесов козлоногий Фавн научил второго царя Рима Нуму Помпилия искусству отводить гнев громовержца Юпитера от храмовых кровель. У дверей храмов ставили высокие шесты, обитые медью. Их сверкающие вершины притягивали стрелы Юпитера, ибо сами имели сходство с огнем, и грозные молнии спокойно уходили по металлу в землю, не причиняя вреда строениям. Но затем богиня памяти Мнемозина заставила людей забыть, зачем им нужны дорогие шесты, окованные медью, перед зданиями дворцов и храмов.
Такова легенда. Но только ли легенда? В истории культуры сохранились сведения, что свыше 3000 лет назад в Древнем Египте у храмов стояли высокие мачты, обитые медью. Такие же мачты стояли и около знаменитого храма царя Соломона в Иерусалиме. Просуществовав тысячу лет, он ни разу не был поврежден молнией, хотя находился в месте, которое известно частыми грозами.
Но прошли века, и в мракобесной средневековой Европе умение людей отводить молнию было предано забвению. Лишь в середине XVIII в. громоотвод был заново изобретен американским ученым Б.Франклином.
В наши дни ни одно строение не обходится без громоотвода (а, может, правильнее – молниеотвода?). А как же кабель? Кабель тоже снабжают своеобразным молниеотводом. Им служит медный или стальной трос, прокладываемый в земле над кабелем и отводящий токи молнии в землю. «От греха подальше», – говорят в шутку связисты. Применяют и другие меры, чтобы защитить кабель от ударов молнии. Но увы... Статистика повреждения кабелей во время грозы неумолимо свидетельствует о том, что человек не до конца еще научился побеждать силы природы.
Городские кабельные трассы скрыты от взоров, располагаясь глубоко в земле, вподземной канализации. Только наметанный глаз обратит внимание на множество
68
обозначенных крышками кабельных колодцев, в которых соединяются нити различных кабелей. Трамвай и кабель... Казалось бы, между ними не существует никакой связи. Между тем именно трамвай является «злейшим врагом» городских кабелей связи. Так же, как и электровоз – для междугородных кабелей. В эту «компанию» следует зачислить и метрополитен. Рельсовый путь причудливой лентой извивается по городу, встречаясь много раз па пути с подземными коммуникациями. В их числе и кабели связи. Постоянный ток, вращающий электромотор трамвая (он поступает из контактной сети через дугу трамвая), «отработав», возвращается по рельсам к тяговой подстанции (с тем чтобы снова попасть в контактную сеть). Однако часть токов растекается с рельсов в землю (вспомните, рельсы не так уж тщательно изолированы от земли). Эти токи блуждают в земле (их так и называют блуждающие), проникая в металлическую оболочку или броневой покров кабеля, если поверх оболочки наложена броня. В тех местах, где блуждающие токи втекают в кабель, не происходит ничего страшного. Зато там, где токи вытекают из кабеля, они разрушают его, унося с собой в землю частицы металла. В местах повреждения образуются углубления, а иногда идыры.
Трамвай, электровоз, вагоны метрополитена «уносят с собой» частицы металла из оболочки или брони кабеля. И «уносят» немало! Так, ток в 1 А, стекая со свинцовой оболочки кабеля, может разрушить в течение года 35-36 кг свинца, а со стальной брони – до десятка килограмм стали. Увы, за преступления подобного рода некому предъявить обвинение.
Процесс разрушения кабеля блуждающими токами называется электрокоррозией. Конечно же, с ней, как и с любым другим нежелательным явлением, борются. Для предотвращения коррозии кабель в наиболее «опасных» местах соединяют проводом с рельсами, чтобы блуждающие токи не стекали в землю, а уходили снова в рельсы; подключают к кабелю так называемый протектор – цилиндр из легко разрушающихся сплавов (токи, перетекая на этот цилиндр, уносят металл из него, а не из кабеля); компенсируют стекающие с кабеля токи встречным током от специальной малогабаритной электрической станции. Еще один «вечный враг» кабеля – влага. Проникая в кабель, она ухудшает изоляцию проводников. Чтобы поставить заслон на ее пути, приходится нагнетать в кабель газ под избыточным давлением, а для этого нужны компрессоры, газопроводы и прочее специальное оборудование.
Дорогой ценой приходится расплачиваться за то, чтобы биты благополучно достигли конечной цели своего путешествия. Затрачиваются немалые средства на проектирование «медной магистрали» (а оно включает в себя и изыскательские работы по выбору будущей трассы кабеля, которые проводятся зачастую в нелегких условиях: труднопроходимая тайга, топкие болота и т. п.). Кабельным заводам приходится изготавливать поистине «драгоценную» продукцию. Строительные организации выполняют дорогостоящие работы по сооружению магистрали. Построенную кабельную магистраль нужно обслуживать. Для этого создают огромный штат работников, «населяющий» многочисленные эксплуатационные предприятия и организации. Любопытные данные приводит Д.Л. Шарле: во всем мире уже «закопано» в землю около 15
69
млн. тонн меди, а добывается ее во всех странах мира лишь 7-7,5 млн. тонн в год. А ведь медь идет не только на производство кабелей связи.
Более 150 лет металлические кабели связи, несмотря на все их недостатки, господствуют на нашей планете. Они проложены везде: над и под землей, по дну рек, морей и океанов. Их общая протяженность составляет сотни миллионов канало-километров.
С1895 г. берет свое начало история передачи информации по открытому пространству с помощью радиоволн. Но многие виды радиосистем появились не так давно: цветному телевидению всего 53 года, а европейскому и того меньше – 40 лет, цифровому вещательному ТВ – 8 лет, сотовой мобильной радиосвязи – 14 лет. Они в какой-то степени являются конкурентом системам передачи по металлическим кабелям: в одних случаях более эффективны (по совокупности критериев) радиосистемы, в других – кабельные.
Объемы передаваемой информации в крупных промышленных городах столь велики, что требуется совместная работа систем обоих типов.
Вто же время связь с подвижными абонентами, которые могут находится
влюбой точке планеты, принципиально невозможна с помощью кабельных систем и здесь радиосистемы незаменимы.
Сдругой стороны, отказ от радиосистем только в городах привел бы к катастрофической ситуации с электромагнитной обстановкой, так как дополнительно потребовались бы сотни тысяч передатчиков, которым бы не хватило частотного ресурса.
Настойчивые поиски новой потребляющей среды для передачи информации, обладающей значительно меньшим ослаблением сигнала и большой пропускной способностью, увенчались успехом – на смену металлическим кабелям пришли волоконно-оптические линии связи (ВОЛС).
Волоконно-оптические кабели. По волоконно-оптическим линиям принципиально можно организовать передачу до миллиона телефонных сигналов одновременно. Внешне оптические кабели мало отличаются от уже знакомых нам кабелей связи. Однако вместо токопроводящих металлических жил в них применяются тонкие (диаметром 125…150 мкм) двухслойные
стеклянные волокна-световоды. Именно они являются средой, по которой передаются сигналы электросвязи в оптическом диапазоне частот (1014…1015 Гц).
Принцип распространения светового луча вдоль двухслойного волокна показан на рис. 6.8, 6.9,а. Луч распространяется по внутреннему слою волокна (сердечнику) за счет последовательного и полного отражения от границы раздела диэлектрических слоев. Сердечник изготавливается из специального чистого стекла и имеет показатель преломления n1 , больший чем у оболочки
n2 , которая также делается из стекла. Диаметр сердечника зависит от типа волокна – многомодовое или одномодовое и может быть от 2 до 50 мкм.
70
Рис.6.8. Законы геометрической оптики действуют и в световоде и в стакане
n1 |
|
n2 |
|
|
а) |
|
б) |
|
|
Рис. 6.9 Принцип распространения светового луча по волокну (а) и конструкция оптического кабеля (б): 1- стекловолокно; 2- полиэтиленовая трубка; 3- пластмассовый сердечник; 4- полиэтиленовая оболочка; 5- внешний покров
В оптическом кабеле (рис. 6.9,б) стекловолокна свободно помещаются внутри полиэтиленовых трубок, скрученных вокруг прочного пластмассового сердечника. Оптические кабели, как и обычно, имеют защитные полиэтиленовые оболочки и различные внешние покровы.
Оптические кабели можно прокладывать в земле и под водой, подвешивать на опорах, протягивать в кабельных канализациях. Они легко изгибаются – световоды не ломаются даже тогда, когда радиус изгиба очень мал, меньше 1 см; прочны на разрыв – само волокно из-за его однородности оказалось крепче стальной струны того же диаметра, да и в кабель вводятся специальные упрочняющие (армирующие) элементы; хорошо защищены от влаги и сырости – иначе бы стекло замутнело и изменило свои оптические свойства.
Оптические кабели во многом превосходят электрические! Они имеют значительно большую пропускную способность. При одинаковой же пропускной способности они в 5 – 6 раз тоньше и в 10 раз легче электрических. Оптическим кабелям не страшны удары молний, их не разъедает коррозия; на них не влияют ни радиостанции, ни электропоезда, ни трамваи, ни метрополитен; в них не возникают взаимные помехи и экономится дефицитная
71