62. Оптическое волокно и оптический кабель.

О снова оптической линии передачи – световод. Простейший световод представляет собой диэлектрический стержень, называемый сердечником, окруженный диэлектрической оболочкой. Показатель преломления материала сердечника n₁ = (₁)^1/2, а оболочки – n₂=(₂)^1/2, где ₁ и ₂ – относительные диэлектрические проницаемости сердечника и оболочки. Относи­тельная магнитная проницаемость материала обычно постоянна и равна единице. Показатель преломления оболочки постоянен, а сердечника в общем случае является функцией поперечной коор­динаты. Вид этой функции называют профилем показателя прелом­ления. Для передачи электромагнитной энергии по световоду исполь­зуется явление полного внутреннего отражения на гра­нице раздела двух диэлектрических сред, поэтому необходимо, чтобы показатель преломления материала сердечника был больше, чем у оболочки n₁>n₂ . В зависимости от величины угла , который образуют с осью лучи, выходящие из точеч­ного источника в центре входного торца световода (рис. 1.1), имеют ме­сто волны излучения 1, волны оболочки 2 и сердечника 3. В сердечнике и оболочке сущест­вуют два типа лучей: меридио­нальные, которые пересекаются в некоторой точке с осью свето­вода, и косые, которые с осью световода не пересекаются. На рис. 1.1 показаны меридиональ­ные лучи. Рассмотрим волны (или моды) сердечника. Если угол падения меньше некоторого критического угла (_кр), то луч полностью отражается на границе «сердечник-оболочка» и остается внутри сердечника (луч 3). Рассчитаем через коэффициенты преломления оболочки и сердечника n₁ и n₂ угол падения _кр (см.рис.1) такой, при котором возникает полное преломление в сердечнике. Угол падения со стороны сердечника на границу с оболочкой равен 90⁰–. Тогда n1*sin(90⁰-_кр) = n2; sin_кр = ; sin _кр= n₁ sin _кр sin _кр =

Из всего набора световых лучей в пределах угла полного внутреннего отражения направляемые волны может образо­вывать для рассматриваемого световода только ограниченное число лучей с дискретными углами, которые называют также волноводными модами. Эти лучи характеризуются тем, что после двух по­следовательных переотражений от границы «сердечник-оболоч­ка» волны должны быть в фазе. Если это условие не выполняется, то волны интер­ферируют так, что гасят друг друга и исчезают. Каждая волноводная мода обладает характерной для нее структурой электро­магнитного поля, фазовой и групповой скоростями.

Такое объяснение направляемости света основано на законах геометрической оптики и не учитывает свойств света как электро­магнитной волны. Учет волновых свойств света позволяет устано­вить, модовую структуру светового сигнала в сердечнике и роль оболочки. Электромагнитная энергия не полностью сосредоточена в сердечнике. В оболочке существует поверхностная волна, амплитуда которой спадает по мере удаления от сердечника. Оболочка служит для передачи поверхностной волны и защищает рас­пространяющийся по сердечнику свет от любых внешних воздей­ствии и помех. Диаметр оболочки должен быть таким, чтобы напряженность поля на ее внешней поверхности была близка к нулю для того, чтобы снизить потери. Он всегда много больше диаметра сердечника.

М оды оболочки и излучения распределяются непрерывно по всей принад­лежащей им области углов и образуют непрерывный спектр. Это паразитные волны, которые от­бирают энергию источника возбуждения и уменьшают полезную энергию, передаваемую по сердечнику. Они также возникают на геометрических нерегулярностях световода и неоднородностях материала. В зависимости от числа распространяющихся на рабочей ча­стоте волн (мод) световоды разделяются на одномодовые и многомодовые. Для характеристик световода большое значение имеет профиль показателя преломления в поперечном сечении. Большой практи­ческий интерес представляют неоднородные в поперечном сечении световоды, так как они могут иметь такие характеристики, кото­рые невозможно получить у однородных световодов. Если сердеч­ник световода имеет постоянное по радиусу значение показателя преломления, то такие световоды называются световодами со сту­пенчатым профилем показателя преломления (есть ступенька n на границе «сердечник—оболочка»). Если показатель преломления от центра к краю сердечника изменяется не ступенчато, а плавно, то световоды называются световодами с градиентным профилем по­казателя преломления, или градиентными световодами. Ход лу­чей в градиентном световоде показан на рис. 1.3. Как видно, лучи теперь изгибаются в направлении градиента показателя преломле­ния (вместо преломления либо полного отражения, как в случае волокна со ступенчатым профилем на рис. 1.1).

Наиболее изучены характеристики световодов, для которых профиль показателя преломления описывается степенной функцией:

n(r) =n₁ [1 - 2(r/a)^g ] , 0  r  a

где г - текущий радиус; =(n₁ – n₂)/n₂ – относительная разность показателей преломления; g - показатель степени, определяющий изменение n(r); а - радиус сердечника.

Световоды с g=2 называют параболическими, так как про­филь показателя преломления описывается параболой. При изго­товлении градиентных световодов по технологическим причинам часто получают в центре сердцевины область с уменьшенным зна­чением показателя преломления. Такие световоды получили назва­ние световодов с осевым провалом в профиле диэлектрической проницаемости.

Используя возможности неоднородных световодов в широких пределах изменять свои характеристики в зависимости от закона изменения диэлектрической проницаемости по поперечному сече­нию световода, можно для каждого конкретного применения по­добрать световод с наилучшим соответствием его характеристик решению поставленной задачи.

Величину NA = sin(_кр) = называют числовой апертурой свето­вода. От значения число­вой апертуры зависят эффективность ввода в световод излучения от источника, величина потерь на микроизгибах, число распространяющихся мод. Число мод в градиентном световоде меньше, чем в двухслойном тех же геометрических размерах и с теми же значениями n₁ и n₂ .

Важным параметром световодов являются геометрические раз­меры сердечника и оболочки. Для многомодовых световодов обыч­но диаметр сердечника порядки 50 мкм, а диаметр оболочки порядка 125 мкм. Диа­метр сердечника одномодового световода необходимо выбирать таким, чтобы обеспечивались условия распространения только ос­новной моды. Этот диаметр 8 – 10 мкм. В световодах существуют на­правляемые моды и моды излучения. Число направляемых мод зависит от соотношения между толщиной световода d и длиной волны λ, а также от разности между показателями преломле­ния световода и подложки. Чем меньше разность показателей преломления, тем меньше чис­ло распространяющихся мод при той же толщине световода.

Оптический кабель состоит из скрученных по определенной системе оп­тических волокон (световодов), заключенных в общую защитную оболоч­ку. При необходимости кабель может содержать силовые (упрочняющие) и демпфирующие элементы.

По условиям эксплуатации кабели подразделяют на:

•монтажные •станционные •зоновые •специальные • •магистральные

Первые два типа предназначены для прокладки внутри зданий и сооружений. имеют небольшую строительную длину.

Монтажные кабели служат для передачи информации внутри объекта: внутренняя сеть кабельного телевидения, а также бортовые информационные системы под­вижных объектов Станционные кабели предназначены для межстоечных и блочных соеди­нений и монгажа аппаратуры. Они выполняются чаще всего в виде жгутов или плоских лент.

Зоновые кабели предназначены для связи областного центра с района­ми и городами области. Дальность связи, как правило, составляет порядка сотни километров.

Специальные кабели можно разделить на городские и сельские.

Городские кабели применяют в качестве соединительных между город­скими АТС и узлами связи расстояния (5...10 км)

Сельские кабели предназначены для организации сельской телефонной связи, имеют преимущественно четырехволоконную конструкцию

Магистральные кабели предназначены для передачи информации на большие расстояния и на большое число каналов. Они обладают малыми затуханием и дисперсией и большой информационно-пропускной способностью. Иногда среди магистральных в отдельную группу выделяют подводные кабели.

Типы и конструкции оптических кабелей связи

Оптические кабели связи можно классифицировать не только по назначению и области применения, но и по конструктивным признакам: конструкции сердечника и типу защитных оболочек.

можно подразделить на четыре группы (рис. 3.10):

1- имеют традиционную повивную скрутку сердеч­ника по аналогии с электрическими кабелями.. Известные кабели содержат преимущественно 4, 6, 8, 14 и 20 волокон. Обычно подокно свободно располагатся в пластмассовой трубке, образуя модуль.

2-группы имеют в центре профилированный пластмассовый сердечник с пазами. Пазы, а соответственно и волокна располагаются пециальныи образом, так чтобы не испытывать продольного воздействия на разрыв. Такие кабели могут содержать 4, 6, 8 и 10 волокон.

3-Кабель ленточного типа состоит из стопки плоских пластмассовых лент, в которые вмонтировано определенное число оптических волокон. Чаще всего в ленте располагается 12 волокон, а число лент составляет 6, 8, 12; при 12 лентах такой кабель может содержать 144 волокна.

4 - пучковой скрутки содержит определенное количество пучков. Каждый пучок может состоять из 4, 7, 10 волокон. Такие кабели изготов­ляются на большое число волокон (50, 100 и больше).

По виду материала, из которого они изготавливается , кабели делят на два вида:

1) кабели, содержащие металлические элементы ;

2) кабели полностью диэлектричес­кие (без металла).

П ринципы маркировки оптических кабелей связи

Маркировка ОКС может быть записана условно в следующем виде:

NNNPB - Н – n₁ – n₂ – n₃ /n₄ – n₅ / n₆ - А,

NNN – наименование кабеля, определяемое его назначением и рабочей длиной волны OB;

Р – обозначение типа металлической оболочки (при отсутствии металлической оболочки опускается);

В – обозначение типа бронепокровов (может быть опущено),

Н — параметр, указываемый в маркировке кабелей с оболочками, не распространяющими горение (в противном случае опускается);

n₁ – диаметр сердцевины 0В, обычно равный 10 и 50 мкм для одно- и многомодовых 0В соответственно ( в марке кабеля может быть опущен);

n₂ – номер разработки конструкции данного типа ОК;

n₃ – максимальное затухание 0В, дБ/км,

n₄ – максимальная дисперсия 0В, пс/(нм-км) (в марке кабеля может быть опущен);

n₅ – число 0В;

n₆ – число медных жил для дистанционного питания ( в марке кабеля может быть опущен);

А — параметр, указываемый в маркировке кабелей, для 0В которых характерна избирательность коэффициента широкополосности (например, от 500 до 800 МГц-км).

Пo стандарту оптические кабели разделяют на кабели, предназначенные для непосредственной прокладки в земле, прокладки в коллекторах и трубах, воздушной прокладки, подводной прокладки, внутриобьектовой прокладки, для межобьектовой связи, монтажные, для специальных целей.

Различают следующие группы ОК: магистральный (Л), зоновый (3). городской (К), полевой (П), подводный грузонесущий (Г), подводный негрузонесущий (Н), для стационарных объектов и сооружений (С), для подвижных объектов (бортовой) (Б), специальный для дистанционного управления (Д), монтажный (М), шнур (Ш).

Группы подразделяются на подгруппы: для стационарной проклндки (С), для нестационарной прокладки (Н).

В настоящее время отечественной промышленностью выпускаются оптические кабели связи следующих наименований-

ОН--станционный кабель на длину волны 0.85 мкм,

ОКС — оптический кабель станционный на длину волны 0.85 мкм,

ОК — линейный оптический кабель для ГTC на длину волны 0,85 мкм;

ОКК — то же, на длину волны 1,3 мкм:

ОЗКГ – линейный оптический зоновый кабель с броней из круглых проволок для прокладки в грунт с 0В на длину волны 1,3 мкм.

ОКЗ – линейный оптический кабель для зоновьк линий связи с ОВ на длину волны 1,3 мкм,

ОМЗКТ – оптический одномодовый кабель для магистральных зоновых линий связи .мня прокладки в грунт с ОВ на длину волны 1,3 мкм;

ОМЗВ – то же, для прокладки под водой с ОВ на длину волны 1,3 мкм;

ОКЛ – линейный оптический одномодовый кабель для магистральных и зоновых линий снязи с ОВ на длину волны 1,55 мкм,

ОКГ – специальный оптический одномодовый кабель линейный для магистральных и зоновых линий связи с ОВ на длину волны 1,55 мкм для прокладки в грунт;

ОКВ – то же, но для прокладки подводой на глубина до 500 м.

В конструкциях оптических, кабелей используются медные и алюминиевые металлические оболочки, которые маркируются соответственно буквами М и А. Бронепокровы ОК маркируются следующимщим образом: из круглых проволок – К, из стальных лент Б; из стальных проволок – О: из стеклопрутка – С. Если кабель имеет оболочку, не распространяющею горение, то в конце наименования после обозначения типа бронепокровов указывается буква Н. Например, ОКК-Н-50-01-0,7-8; ОКК-Н-0,7-4/4.