Лабораторна робота №1

ДОСЛІДЖЕННЯ КОНСТРУКЦІЙ

ОПТИЧНИХ КАБЕЛІВ І

ВОЛОКОН.

1 МЕТА РОБОТИ.

Вивчення конструкцій оптичних кабелів зв`язку і оптичних волокон,

ознайомлення з властивостями кабельних матеріаліів.

2 ЗАВДАННЯ.

1. Ознайомитись з принципами роботи оптичних волокон і їх класифікацією.

2. Вивчити конструкції оптичних волокон, що використовуються воптичних кабелях зв`язку.

3. Вивчити принципи конструктивного вирішення оптичних кабелів зв`язку, ознайомитись з прикладами конструкцій оптичних кабелів і їх маркуванням.

4. Ознайомитись з видами кабельних матеріалів.

5. Ознайомитись з методикою механічного розрахунку оптичних кабелів.

3 МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ВИКОНАННЯ РОБОТИ.

3.1 Конструкції і принципи роботи оптичних волокон.

Подібно тому, як в електронних кабелях зв`язку середовищем розповсюдження сигналу є пара ізольованих металічних провідників в оптичних кабелях зв`язку середовищем розповсюдження сигналу є оптичне волокно.

Оптичне волокно – це тонка скляна нитка діаметром порядком 100мкм (0,1мм), інколи матеріалом волокна є прозорий полімер. Скляні волокна більш крихкі, ніж полімерні, але можуть бути виконані з значно меншим затуханням, тому у кабелях зв`язку використовуються, як правило, скловолокна.

Як правило, в якості скла використовують плавлений квварц (діоксид кремнію SO2) високої степені очистки. Багатокомпоненти

(нітрокальцеві, боро-силікатні і т.д.) скла мають меншу чистоту і вносять у сигнал, що передається, великі втрати.

Промодульований сигналом потік електромагнітноїенергії вводиться з джерела випромінювання в волокно і далв розповсюджується, затримуючись всередині останнього.

При цьому каналізуюча дія приводить до зміни величини діелектричної проникності матеріалу в поперечному перерезі волокна. Оскільки волокна використовуються для передачі хвиль оптичного діапазоу, то замість відносної діелектричної проникності

 як правило користуються зв`язаним з ним і використовуваним в оптиці коеф. заломлення, який для немагнітних матеріалів, що мають відносну проникність=1, рівний.

Зміна коеф. заломлення матеріала волокна досягається за рахунок добавок до чистого кварца певних домішок. Найчастіше для цього використовують диоксид кремнію SO2, що зменшує величину. Дозуванням присадки добиваються потрібно величини коеф. заломлення, яка в світловодах знаходиться в межах 1,45-1,5.

Загальна будова оптичного волокна ілюструється кресленням (рис.1)

Поперечний переріз оптичного волокна

Рис.1

Власне діелектричний хвилевід складають серцевина і оболонка які виконані із легованого присадками кварцу. Основна доля енергії сигналу,що передається, зосереджена в серцевині, що має коеф. заломлення 1. Оболонка, що має меншу величину коеф. заломлення 2, забезпечує утримання енергії всередині серцевини , тому вній передається мала доля потужності сигналу.

У зв`язку з відбиттям енергії від границі розділу“серцевина оболонки”, електромагнітне поле всередині серцевини має резнансний характер, змінюючись приблизно синусоїдально (по закону функції Бесселя ) в радіальному і точно синусоїдально в круговому напрямку. В двозначних індексах направлених волокон хвиль НЕnm, ЕНnm, Нom, Еom – перший індексn означає число повних змін напруженості поля по колу поперечного перерізу другий індекс m– по діаметру.

Наявність Е і Н в позначенні типу хвилі означає наявність повздовжньої складової відповідно магнітного і електричного поля, в зммішаних хвилях першим показано переважаючий вид поля. Для позначення поняття“тип хвилі”часто застосовують термін“мода”.Поле в оболонці швидко зменшуєтьсяя по мірі віддалення від серцевини. Резонансних явищ тут немає, тому напруженість змінюється монотонно, приблизно по експоненті (в функції Хейнкеля 1 роду). Оюолонка повинна мати достатню товщину, щоб в ній виконаній з иатеріалу з малими втратами, напруженість впала до дуже малої велечини. В іншому випадку поле хвилі, що передається, буде існувати за межами оболонки і відчувати суттєві втрати. Це приведе до росту затухння сигналів в кабелі.

З точки зору втрат сигналу достатньою є товщина оболонки 20-30 мкм. Однак при розмірах, що вимагаються, серцевини 2а=5-50 мкм волокно з такою оболонкою мало б порівняно малий діаметр низьку механічну міцність. Тому скляну оболонку виконують більш товстою, такою, щоб діаметр волокна по оболонці складав в типовому випадку 2в=125 мкм. Такі волокна мають міцність на розрив біля 1кгс.

Подальше укріплення волокна досягається за рахунок захисного покриття. Покриття містить:лакову плівкуt=5-10 мкм, що запобігає появі і розвитку поверхневих мікротріщин;буферний шар еластичного полімеру, що захищає скляну частину волокна від бокового стиснення;зовнішній шар з полімерного матеріалу з високим модулем потужності, що працює на стиснення і розтягування. Зовнішній діаметр зовнішнього покриття волокон складає велечину порядку 0,7-1,0 мкм . Необхідність механічного захисту продиктована небезпекою різкого збільшення затухання волокон при деформаціях хвильової частини. При цьому вихідна величина коеф. затухань порядку 3дб/км, може зростати у десятки разів аж до втрати волокном хвилеводних властивостей.

Крім механічних функцій захисне покриття запобігає появі взаємних завад між волокнами кабеля, для чого в ньому застосовують матеріал з великим поглинанням на робочій довжині хвилі оптичної системи зв`зку, порядкку 1дб/км..

З метою запобігання відбивання поля всередину від границі “оболонка-захисне покриття”і виникнення оболонкових хвиль, коеф. заломлення покриття3 береться більшим, ніж2.

Одним із основних параметрів оптичних волокон є узагальнений параметр.

Чим більша його величина, тим більше типів хвиль розповсюджується по волокну.

По числу направляючих мод волокна ділять на одномодові (в них може передаватись тільки одна мода НЕ11, такяк реалізована величина V<2.405)і багатомодові(у нихV>2.405, тому передається більше, ніж одна мода).

Як видно з (1), в одномодових волокнах повинна бути при заданій довжині хвилі (як правило в межах 0,8-1,6 мкм) порівняно мала величина радіуса серцевиниа, а також мала величина різниці коеф. заломлення. Остання задається в абсолютному виді.

n=n1-n2 (2)

або у відносному виді:

n/n1 (3)

Як правило, використовубться волокна з величиною n=0.003-0.05. Діаметр серцевини одномодових волокон складає близько 10 мкм, багатомодових-50мкм.

Інша класифікація типів оптичних волокон проводиться по закону зміни коеф. заломлення матеріалу серцевини в радіальному напрямі.

У ступінчатих оптичних волокнах :

n1 при r  a

n= (4)

n2 при a< r  b

У градієнтних волокнах :

n r при r<=a

n= (5)

n2 приа<= r  b

Функція n (r) – це парабола з показником степеня, близьким до 2.

Перечислені типи оптичних волокон представлені на рис.2, а на рис.3 показана променева модель розповсюдженя хвиль по цихволокнах.

Рис. 2

Поперечий переріз і профілі коеф. заломлення оптичних волокон а- багатомодове ступінчате волокно;б- багатомодове градієнтне волокно;в- одно модове волокно.

Променеве представлення процесів в волокні базується на положенні, що група хвиль, що мають однаковий фазовий коеф. розповсюдження можуть бути поставлні у відповідність з плоскою хвилею, що розповсюджується під певним кутом до осі хвилеводу. Значення кута таке, що групву швидкість цих хвиль і резольтуюча швидкість плоскої хвилі повинна бути однаковою. Таким чином суккупність розповсюдження мод можна представити сукупністю променів.

Променевва модель розповсюдження хвиль в оптичних волокнах.

Рис.3

Як видно з рис.3а, промені, що йдуть по серцевині багатомодового ступінчатого волокна, відбиваються відмежі з оболонкою. При достатньо малих аксіальних кутах ( великі кути падіння ) має місцеповне внутрішнє відбивання, тобто передача без втрат. Хвилі НЕ11 відповідає промінь, що майже співпадає з віссю волокна. Чим вище порядок моди, тим більий аксіальний кут поменя. Куту повного внутрішнього відбивання відповідає група хвиль, що знаходяться в режимі відсічки: вищі моди по волокну не розповсюджуються, оскільки промені зазнають заломленя виходять із серцевини.

В градієнтному волокні кофіцієнт заломлення змінюється по радіусу не стрибком, а плавно. Тому і траєкторії променів йдуть не по ламаних, а по плавним кривим, як показано на рис. 3б. При одному й тому ж радіусі, а в градієнтному волокні існує менша кількість типів хвиль, і навпаки:градієнтне волокно має таку кількість направляючих хвиль, як ступінчате, якщо розмір його серцевини більше, чим у ступінчатого волокна в2 раз. Оскільки пропорційне а (1), то це означає, що для градіієнтних волокон значенняVтреба збільшити в 1,414 раза. Наприклад , умовою одномодового режиму є V<3.50.

Так якщо, при =0,002 діаметр серцевини одномодового ступінчастого волокна складає 7 мкм, то у одномодового градієнтного волокна він має величину 10мкм. Це спрощує вимоги до точності з`єднань волокон на стиках будівельних довжин кабелів з цієї точки зору градієнтні одномодові волокна перевважають ступінчасті.

Недоліком багатомодових волокон в порівнянні з одномодовими є багатопроменевість процесу розповсюдження.

Швидкість розповсюдження плоскої хвилі в середовищі з коеф. заломлення nскладаєV=с/n, де с- швидкість розповсюдження плоскої хвилі в вільному просторі, 3*10^8м/с.

Розповсюджуючись у серцевині ступінчатого волокна з однією тією ж швидкістю V=c/n1, компоненти потужності сигналу що переноситьсярізними променями, проходять різний шлях і мають до значного розширення імпульсів і суттєво знижує здатність ступінчастих волокон. В них розширення імпульсів складає 20-30 нс/км . в градієнтних волокнах модова дисперсія різко знижена, тобто затримки променів приблизно рівні: одноосеві промені проходять менший шлях, ніж периферійні промені (рис.3б), але розповсюджуються в середовищі з більшим , тобто з меншою швидкістю. В цих волокнах розширення імпульсів складає 1-2нс/км.

В одномодових волокнах розповсюджується тільки один промінь (рис.3в). Тут модова дисперсія відсутня, розширення імпульсів викликається значно більш слабими факторами (дисперсія матеріалу і хвилевідна дисперсія) і складає 1—10нс/км. Один недолік одномодових волокон – великі втрати на вводі в волокно, місцях з`єднання волокон і на згинах. Недолік градієнтних волокон більш висока вартість виробництва, ніж у ступінчатих.

Серійно виготовляють оптичні волокна чотирьох класів:

1. багатомодові ступінчаті квварцеві з полімерною сввввітловідбиваючою оболонкою (“кварц-полімер”);

2. багатомодові з градієнтним профілем показника заломлення

3. одномодові з робочою довжиною хвилі 1.3 мкм;

4. одномодові з робочою довжиною хвилі 1,55 мкм.

Кабелі з ОВ першого класу призначені для об`єктових і локальних мереж, другого – для міського і внутрішнього зв`язку, останні для магістральних і перспекивних внутрішньозонових мереж.