Глава_5

31

образуются даже при использовании относительно маломощных источников излучения.

Ситуация усугубляется в системах с оптическими усилителями, которые применяются для обеспечения большей длины регенерационного участка, а

также в системах с разделением по длинам волн, где используются источники интенсивного лазерного излучения. Наиболее явно проявляются нелинейные эффекты низших порядков. К ним относятся :

нелинейное преломление - явление, при котором показатель преломления зависит от интенсивности электромагнитного поля;

вынужденное неупругое рассеяние - явление, при котором оптическая волна передает часть своей энергии среде распространения в результате взаимодействия с молекулами;

модуляционная неустойчивость - явление модуляции стационарного волнового состояния под действием нелинейных и дисперсионных эффектов;

параметрические процессы - явления, вызванные взаимодействием оптических волн с электронами внешних оболочек (четырехволновое смешение, генерация гармоник и параметрическое усиление).

Кратко рассмотрим два первых.

Нелинейное преломление. Показатель преломления оптической среды зависит не только от частоты (этот факт рассматривается в рамках линейной теории), но и от интенсивности света I, или квадрата напряженности электрического поля Е:

п( , Е 2) = n1( ) + n2( Е 2),

где n1 - зависящая от частоты линейная составляющая, n2 -нелинейная составляющая показателя преломления, зависящая от напряженности электрического поля. Нелинейная составляющая n2 может быть выражена следующим уравнением

n2 = kn E 2

где kn =[3 (3)1 (8 n)]- коэффициент нелинейности показателя преломления, (3)1-

составляющая нелинейной диэлектрической восприимчивости 3-го порядка .

32

Зависимость n от оптической мощности приводит к таким нелинейным эффектам, как фазовая самомодуляция (ФСМ) и фазовая кросс-модуляция

(ФКМ).

Фазовая самомодуляция обусловлена нелинейным набегом фазы. Этот фазовый набег оптическое поле приобретает при распространении в ОВ,

причем этот набег увеличивается с увеличением длины волокна, приводя к симметричному спектральному уширению коротких импульсов:

Фазовая кросс-модуляция обусловлена набегом фазы, вызванным электрическим полем источника, излучающего на другой длине волны. Эта волна распространяется совместно с исходной и вызывает асимметричное спектральное уширение совместно распространяющихся оптических импульсов с разной длиной волны.

Изменение фазы при появлении ФСМ вызывает паразитную частотную модуляцию (ПЧМ) импульса, глубина которой растет с ростом длины ОВ, что и приводит к расширению спектра импульса. Этот спектр имеет обычно осциллирующий характер и зависит от формы импульса и его начальной ПЧМ,

которая наблюдается у многих источников излучения. Если на ФСМ накладывается дисперсия, то для волокна с положительной дисперсией ее влияние обычное и сводится к расширению спектра и «расплыванию» импульса во времени. Если же дисперсия волокна отрицательна, то ее влияние необычное

– оптический импульс, имеющий гауссову форму, несколько расширяется,

затем стабилизируется, а спектр импульса сужается. Если же импульс имеет форму гиперболического секанса (что близко к гауссовой форме), то в отсутствие начальной ПЧМ импульс ведет себя как солитон, т.е. как импульс ни форма, ни спектр которого не изменяются при распространении.

Таким образом, совместное действие ФСМ и дисперсии в оптическом волокне в области отрицательных дисперсий является одной из основных причин, которая объясняет существование оптических солитонов .

Солитоны представляют собой волновые пакеты специальной формы,

возбуждаемые лазерным источником в оптическом волокне при совместном

33

действии дисперсионных и нелинейных эффектов в области аномальной

(отрицательной) дисперсии волокна. Для существования и поддержания распространения солитонов необходимо сочетание отрицательной дисперсии в ОВ и нелинейного эффекта – ФСМ.

Для того, чтобы сформировать солитон необходим достаточно мощный оптический импульс ( 1 Вт) гауссовой формы и пикосекундной длительности

( 7 10 пС). При распространении по ОВ с отрицательной дисперсии этот импульс приобретает форму гиперболического секанса -солитона.

При использовании оптических усилителей солитоны могут распространятся в ОВ на значительные расстояния (несколько тысяч километров) практически без искажения своей формы и сохраняются при столкновении друг с другом, восстанавливая направление движения, скорость и амплитуду. Использование солитонов - эффективный способ увеличения скорости передачи информации по оптическому волокну.

Вынужденное неупругое рассеяние. Это явление, в отличие от упругого взаимодействия (изучаемого в линейной теории), обусловлено неупругим взаимодействием, при котором оптическое поле передает часть своей энергии нелинейной среде. С этим взаимодействием связаны два явления:

вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР); вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ).

Квантовый механизм рассеяния состоит в том, что фотон падающего пучка (например, пучка лазерной накачки оптического усилителя) распадается на фотон меньшей (комбинационной или разностной) частоты и фонон. Если принять, что нак и р - частота накачки и разностная частота, то это происходит по схеме: нак - р = ф, где ф –частота фонона. Излучение разностной частоты р называется стоксовой волной. Для ВКР стоксова волна может распространяться в обоих направлениях, но преимущественно распространяется в направлении падающего пучка, тогда как для ВРМБ - в

противоположном направлении.

Оба эти явления носят пороговый характер, хотя и имеют существенные

34

различия: одно наблюдается при мощностях накачки порядка 1 Вт (ВКР),

другое - порядка 10 мВт (ВРМБ). Важной особенностью этих явлений является то, что их интенсивность в оптических волокнах может намного увеличиваться

(до 10 раз на длине волны 1550 нм при затухании 0,2 дБ/км ), создавая возможность для оптического усиления. Благодаря этому оба эти явления используются в оптических усилителях, имеющих одноименные названия:

ВКР-усилители (комбинационные усилители) и ВРМБ-усилители .

5.5. Волоконно-оптические кабели.

Целью изготовления ВО кабеля (ВОК) является обеспечение защиты ОВ

в процессе его эксплуатации от влияния внешних факторов при минимизации объема и веса кабеля и без заметного увеличения оптических потерь. В состав

ВОК при необходимости могут быть включены также электрические

проводники.

Требования к оптическому кабелю:

минимальные оптические потери из-за механических напряжений,

возникающих при изготовлении кабеля;

высокая механическая прочность при воздействии продольных и поперечных нагрузок;

устойчивость к проникновению влаги;

стабильность характеристик в заданном температурном диапазоне,

простота соединения и прокладки ,

низкая стоимость кабеля, его прокладки и затрат на обслуживание.

Существует большое количество типов ВОК, которые отличаются назначением, условиями прокладки и конструкцией составляющих элементов.

По назначению все кабели можно разделить на три группы: внутренней прокладки, наружной прокладки и специальные кабели.

Кабели внутренней или внутриобъектовой прокладки используются внутри телефонных станций, офисов, зданий и помещений клиентов/абонентов.

Кабели наружной прокладки могут применятся практически на любых

35

(сельских, городских, зоновых и магистральных) линиях связи. По условию прокладки эти кабели в свою очередь можно разделить на: воздушные,

подземные, подводные.

Кабели воздушной подвески подвешиваются на опорах различного типа в том числе на опорах ЛЭП и контактной сети железных дорог:

Кабели подземной прокладки делятся на: кабели, прокладываемые в кабельной канализации или туннелях., кабели, закапываемые в грунт, кабели автоматической прокладки в специальных трубах .

Подводные кабели делятся на кабели, укладываемые на дно несудоходных рек, неглубоких озер и болот и кабели, укладываемые на дно морей и океанов.

По конструкции ВОК можно разделить на ряд типов в зависимости от назначения, условий прокладки и используемых конструктивных элементов. К

таким элементам относятся:

оптические волокна, имеющие первичное и вторичное защитные покрытия, или специально подготовленные для укладки в кабель;

трубчатые модули, пластмассовые или металлические, в которых располагаются ОВ, называются также оптическими модулями (ОМ). ОМ представляет собой трубку, изготовленную из полимерного материала,

алюминия или нержавеющей стали, внутри которой в наполнителе

(гидрофобном геле) или без него свободно уложен пучок ОВ.;

профилированные сердечники, в продольных (по винтовой линии на периферии) пазах которых укладываются отдельные волокна, пучки волокон или размещаются трубчатые модули;

силовые элементы: центральные - в виде корда или металлической жилы,

или внешние - в виде одного или нескольких повивов металлической проволоки. В качестве центрального силового элемента может быть стеклопластиковый стержень, пучок специальных высокопрочных арамидных нитей (типа кевлар, тварон или терлон), стальная проволока или алюминиевый профилированный стержень;

36

технологические элементы типа гидрофобных заполнителей (гелей) или

водоблокирующих лент, препятствующих проникновению (и распространению)

проводника, используемых вместе с модулями в гибридных кабелях;

защитная броня либо в виде стальной (чаще гофрированной) ленты для защиты от механических повреждений и грызунов, либо в виде круглых (реже сегментированных) стальных нержавеющих или оцинкованных проволок,

накрученных в виде навивов для придания нужных защитных и механических свойств.

На рис.5.14, в качестве примера, представлена конструкция кабеля,

предназначенного для

Рис.5. 14. Структура волоконно-оптического кабеля.

прокладки на опорах линий электропередачи. В его состав входят: элемент жесткости (центральный сердечник из стеклопластика), принимающий на себя продольную нагрузку, действующую на кабель; шесть полимерных модулей,

внутри которых находятся оптические волокна, элементы из арамидных нитей в совокупности с внутренней и наружной оболочками, выполненными из органических материалов.

5.6. Волоконно-оптические соединители.

Малые геометрические размеры поперечного сечения волокон (см. п. 5.1)

делают их соединение, обладающее малыми потерями, весьма сложной

37

инженерной задачей. С другой стороны совершенствование ОВ, снижение в

них оптических потерь предъявляют все более жесткие требования к параметрам соединений.

Основные требования, предъявляемые к соединителям: 1) малые оптические потери; 2) механическая прочность и устойчивость к воздействию

окружающей среды; 3)малая трудоемкость соединения.

По числу одновременно соединяемых ОВ соединители разделяются на соединители отдельных волокон и многоволоконные соединители; по виду соединения - на неразъемные соединения (сращивания) и разъемные

соединения (разъемы). Сращивания предназначены для постоянного

соединения строительных длин кабеля (или соединения ОВ в местах обрыва) в

полевых условиях. Разъемы, как правило, используются для присоединения ОВ

к оконечной или промежуточной аппаратуре, а также могут

использоваться для соединения ОВ в контрольных точках.

При соединении волокон возникают оптические потери. Их величина определяется соотношением

с 10 lg( Pвых ) ,

Рвх

где Рвх, Рвых – мощность оптического излучения на входе и выходе соединителя.

Потери в соединениях можно разделить на внутренние и внешние.

Внутренние зависят от параметров соединяемых волокон: диаметра и показателя преломления сердцевины, числовой апертуры, неконцентричности сердцевины и оболочки. На внутренние потери влияют технология производства ОВ и критерии контроля качества. Потери из-за разности диаметров сердцевин дс и числовых апертур NA определяются аналогичными соотношениями

38

Эти соотношения справедливы только в том случае, когда большую величину имеют параметры передающего волокна. В противоположном случае потерями

можно пренебречь.

Внешние потери зависят от технологии изготовления соединения. К ним

обеспечения малых потерь торцы соединяемых ОВ должны быть идеально гладкими, плоскими и перпендикулярными оси волокна. Для обеспечения этих требований имеются два вида обработки - полировка и скалывание.

Рис.5.15 Геометрическое рассогласование в соединениях Первый вид обработки применяется при изготовлении разъемных

соединений. При сращивании волокон в основном используется метод скалывания. Для этого используется специальное устройство называемое

скалывателем.

При проведении операции скалывания предварительно очищенный от защитной оболочки конец ОВ прижимают к поверхности определенной кривизны. Специальным резцом (алмазным или из твердого сплава) в месте предполагаемого скола наносят риску на боковой поверхности ОВ. Затем резким движением в противоположную изгибу сторону обламывают волокно.

Получающиеся при этом торцевые поверхности имеют достаточно высокое качество.

39

Френелевское отражение в соединителях связано с разностью показателей преломления сердцевины ОВ и воздушного зазора между торцами.

Эти потери могут быть значительно уменьшены применением иммерсионного вещества.

Потери из-за геометрического рассогласования соединяемых волокон

(рис.5.14) можно определить с помощью различных эмпирических соотношений, например следующих:

из-за продольного «разноса» торцов, где s - расстояние между торцами, а-

радиус сердцевины, nи - показатель преломления иммерсионного вещества;

10 lg(1 2 nи )NA

из-за углового рассогласования, где - в радианах;

d 10 lg(1 2 d )

a

из-за радиального смещения в случае ступенчатого ОВ;

параметры соединяемых ОВ - радиус сердцевины, числовая апертура, наличие

оболочки ОВ.

40

Для создания неразъемного соединения (сращивания) ОВ в основном

используется сварка. Достаточно широко применяются также механические

функциональная схема которого приведена на рис.5.16. В состав сварочного аппарата входит блок крепления волокна 1, оптический излучатель 2,

оптический приемник 3, привод системы юстировки 4, генератор тока сварки 5.

Все эти узлы управляются с помощью микропроцессора 6. Необходимые данные вводятся с помощью терминала 7, а контрольная информация выводится на дисплей 8.

Свариваемые волокна очищаются от защитного покрытия и скалываются. Подготовленные таким образом волокна закрепляются в прецизионных V–образных канавках и тщательно юстируются с помощью привода системы юстировки.

Рис.5.16. Функциональная схема сварочного аппарата.

Как правило, сварка производится электрической дугой. В процессе сварки на электроды подается электрический импульс, образуется электрическая дуга, под воздействием которой ОВ оплавляются и свариваются.

Качество сварки оценивается по следующим параметрам: потери в сварном соединении, уровень обратного отражения, натяжное усилие. При правильно подобранном режиме сварки и тщательной юстировке одинаковых