- •Волоконно-оптические направляющие среды
- •1. Преимущества волоконно-оптических линий связи перед другими направляющими системами передачи
- •Контрольные вопросы
- •2. Структурная схема волоконно-оптической связи
- •Контрольные вопросы
- •3. Принцип действия световодов
- •Контрольные вопросы
- •4. Характеристики направляемых лучей
- •Контрольные вопросы
- •5. Типы световодов
- •Контрольные вопросы
- •6. Апертура оптического волокна
- •Контрольные вопросы
- •7. Планарный световод
- •Контрольные вопросы
- •8. Основное уравнение передачи по световоду
- •Контрольные вопросы
- •9. Типы волн в световодах. Критические длины и частоты
- •Контрольные вопросы
- •10. Затухание в волоконных световодах
- •Контрольные вопросы
- •12. Коэффициент фазы, волновое сопротивление и скорость распространения энергии по световоду
- •Контрольные вопросы
- •13. Поляризация в волоконных световодах
- •13.1. Виды поляризации
- •13.2. Деполяризация световой волны и поляризационная модовая дисперсия
- •Контрольные вопросы
- •14. Взаимные влияния в оптических кабелях
- •14.1. Природа взаимных влияний в оптических кабелях
- •14.2. Переходные помехи в световодах
- •14.3. Переходное затухание и защищенность от взаимных помех в оптических кабелях
- •14.4. Меры по уменьшению взаимного влияния между оптическими волокнами
- •Контрольные вопросы
- •15. Распространение сигналов по оптическому кабелю
- •15.1. Общие положения
- •15.2. Частотные и временные характеристики
- •15.3. Собственные и частные характеристики оптического кабеля
- •15.4. Диаграмма излучения и поглощения энергии в световоде
- •15.5. Искажения сигналов
- •15.6. Модуляционно-частотные характеристики и полоса пропускания волоконных световодов
- •Контрольные вопросы
- •16. Конструкция и материал оптических волокон
- •Контрольные вопросы
- •17. Производство оптических волокон
- •Контрольные вопросы
- •18. Соединение оптических волокон
- •18.1. Основные понятия и определения
- •18.3. Внешние потери
- •18.4. Соединение волокон
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Введение в специальность «Физика и техника оптической связи»
- •Список сокращений
- •1.1 Радиосвязь — основные этапы истории
- •1.2 Спектр электромагнитных волн
- •1.3 Этапы развития лазерной техники
- •1.4 История развития оптической связи
- •2.1 Информация, сообщения, сигналы
- •2.1.1 Основные единицы измерения в телекоммуникации
- •2.2 Виды и технологии систем связи
- •2.3 Стандартизация и метрология в телекоммуникации
- •2.4 Электрические кабели связи
- •3. Основы теории волоконно-оптической связи
- •3.1.1 Основные законы волоконной оптики
- •3.1.1 Основные законы волоконной оптики
- •.1.2 Конструкция ов
- •3.1.3 Методы изготовления ов
- •3.1.4 Классификация и характеристики ов
- •3.2.1 Классификация оптических кабелей
- •3.2.2 Основные компоненты волоконно-оптического кабеля
- •3.3.1 Оптические соединители
- •3.3.2 Оптические разветвители
- •3.4.1 Оптический передатчик
- •3.4.2 Оптический приемник
- •3.4.3 Оптические усилители и повторители
- •3.5 Измерение параметров волоконно-оптических систем
- •3.6 Строительство, монтаж и техническая эксплуатация волс
- •4.1 Развитие волоконно-оптических систем передачи
- •4.2 Проблемы увеличения пропускной способности восп
- •4.3 Оптические волокна в структурированной кабельной системе
- •4.4 Волоконно-оптические датчики
- •4.5 Технологии, использующие оптическое волокно
- •Рекомендации студенту - как сформировать свой профессиональный облик
- •Закон оптики
- •Принцип оптического волокна
- •Межмодовая дисперсия
- •Межчастотная дисперсия
- •Материальная дисперсия
- •Влияние дисперсии на пропускную способность канала
- •Многомодовое ступенчатое волокно
- •Многомодовое градиентное волокно
- •Одномодовое волокно
- •Затухание сигнала, окна прозрачности
- •Используемые длины волн
- •Теория оптического кабеля
- •Первый уровень защиты волокна
- •Волоконно-оптический кабель со свободным буфером
- •Волоконно-оптический кабель с плотным буфером
- •Выбор волоконно-оптического кабеля
- •Симплексный и дуплексный кабели
- •Многожильный кабель
- •Кабель для оконечной разводки
- •Пожаробезопасный кабель
- •Многожильный кабель для разводки по этажам
- •Гибридный кабель
- •Соединение оптических волокон
- •Источники и приемники оптического излучения
- •Светоизлучающие диоды
- •Суперлюминисцентные светодиоды
- •Лазерные диоды
- •Фотодиоды
- •Фототранзисторы
- •Лавинные фотодиоды
Контрольные вопросы
1. В чем заключаются особенности распространения сигналов по оптическому кабелю?
2. Назовите частотные и временные характеристики оптических сигналов.
3. Назовите первичные и вторичные параметры волоконных световодов.
4. Что такое частные и собственные характеристики оптического кабеля?
5. Почему происходит деформация диаграммы излучения в световоде?
6. Что означает длина нормализации для световода?
7. Почему различного вида неоднородности уменьшают длину нормализации?
8. Какие факторы влияют на искажение формы оптического сигнала, передаваемого по световоду?
9. Как зависит мощность излучения оптического сигнала от частоты модуляции и длины световодной линии?
10. Что такое полоса пропускания волоконного световода?
16. Конструкция и материал оптических волокон
Оптическое волокно представляет собой тонкую двухслойную стеклянную нить, состоящую из сердечника и оболочки с различными показателями преломления. Для защиты волокна от атмосферных и механических воздействий поверх светоотражающей оболочки накладывается защитное покрытие. Конструкция оптического волокна с защитным покрытием представлена на рис. 46.
Кварцевые оптические волокна изготавливаются из высокочистого кварцевого стекла (сердечник и светоотражающая оболочка) и применяются для систем дальней, внутри- и межобъектовой связи.
Кварц-полимерные оптические волокна изготавливаются с кварцевым сердечником и полимерной светоотражающей оболочкой и предназначены для систем внутри- и межобъектовой связи.
Полимерные оптические волокна изготавливаются из полимерных материалов, имеющих высокие оптические свойства, и используются для некоторых систем внутриобъектовой связи, подсветки, декоративного оформления и в медицине.
Для изготовления оптических волокон, которые используются для передачи сигналов в основном на большие расстояния, применяются материалы, обладающие минимальными потерями и высокой прозрачностью. Материал сердечника должен иметь очень маленькие потери на поглощение и рассеивание. Этому требованию удовлетворяют гомогенные (отсутствие каких-либо следов фазового разделения) стекла высокой чистоты и качества.
Стекло – это аморфное твердое тело, состоящее из элементов или химических соединений, которые встречаются и в кристаллическом состоянии. Самым низким поглощением в видимой и ближней инфракрасной областях длин волн среди большинства стекол обладает плавленый кварц при условии высокой степени очистки и гомогенности. Кварц имеет значительные преимущества перед остальными видами стекол из-за малых внутренних потерь на рассеивание. Высокая точка плавления кварца требует специальной технологии для изготовления оптического волокна и позволяет избавиться от различных примесей, которые испаряются при меньших температурах.
Небольшой показатель преломления плавленого кварца n = 1,4585 заставляет легировать кварцевое стекло при изготовлении сердечника и светоотражающей оболочки. Добавки увеличивают или уменьшают значение показателя преломления до необходимых значений при сохранении прочих характеристик на уровне характеристик чистого кварца. Для уменьшения показателя преломления плавленого кварцевого стекла могут применяться добавки окиси бора, фтора, а для увеличения – окиси германия, фосфора, титана, алюминия.
Кроме неорганических материалов для изготовления оптических волокон используют стеклообразные органические высокомолекулярные полимерные материалы с продольной ориентацией молекул, которая придает пластичность волокну. К этим материалам можно отнести полиметилметакрилат, полистирол, фторополимер, сополимер полиметилметакрилата, диаллиловый эфир, мономер винила, диаллилфталат, поликарбонат и др.
Для светоотражающих оболочек оптических волокон типа кварц-полимер могут использоваться полимерные материалы, показатель преломления которых ниже показателя преломления плавленого кварца. Эти материалы характеризуются также малым поглощением в видимой и инфракрасной областях спектра. К ним относятся некоторые фторсодержащие полимеры и кремнийорганическая резина.
Стеклянные оптические волокна необходимо защищать от атмосферных и механических воздействий, так как могут образовываться микротрещины или другие неровности поверхности, что приводит к значительному ухудшению механической прочности и создает угрозу для длительной оптической и механической стабильности стекловолокна. Для предотвращения этого применяются защитные покрытия из полимерных материалов.
Основные требования, предъявляемые к полимерному покрытию, заключаются в следующем:
– материал покрытия должен быть достаточно жестким для того, чтобы предохранять волокно от механических повреждений;
– покрытие должно быть толстым, эластичным и однородным по всей длине волокна с тем, чтобы, являясь буфером, предохранять волокно от микродеформаций;
– материал, используемый для изготовления покрытия, должен задерживать распространение механических колебаний в оболочке оптического волокна;
– материал и оборудование, применяемое для наложения покрытия, не должны являться причиной возникновения напряжений в оптическом волокне и образования трещин на поверхности оптического волокна во время процесса его вытяжки и изготовления кабеля;
– покрытие должно быстро твердеть, прежде чем волокно достигнет тяговой шайбы.
Подобрать полимерный материал, отвечающий всем требованиям, практически не представляется возможным. Поэтому защитное покрытие выполняется многослойным.
Первый слой изготавливается на основе эпоксидных и фенолформальдегидных лаков, тефлона или расплава полимера.
Вторая, или основная оболочка выполняется из фторопласта, полипропилена, нейлона, капрона, этиленвинилацетата, полиэтилена высокого и низкого давлений, кремнийорганической резины. Наиболее часто используется нейлон-12, поскольку он практически не вызывает микроизгибов оптического волокна из-за молекулярной ориентации и неровностей поверхности.
Между первичным и основным слоями в последнее время стали наносить демпфирующий слой из мягкого полимерного материала, например полиуретана или модифицированной силиконовой резины на основе полидиметилсилоксана и полиметилфенилсилоксана. Демпфирующий слой сводит до минимума влияние температуры, внешнего давления, приводящих к возникновению микроизгибов, так как оптическое волокно может перемещаться внутри демпфирующего слоя.
Эффективным буферным покрытием кроме силиконов могут служить затвердевающие под воздействием ультрафиолета уретанакрилатные или эпоксиакрилатные полимеры с малыми модулями упругости.
Чем меньше модуль Юнга полимера, тем более тонкое покрытие следует наносить на оптическое волокно. Максимальная толщина покрытия определяется главным образом коэффициентом термического расширения используемого полимера и технической возможностью получить по всей длине оптического волокна покрытие постоянной толщины.
Рассмотрим типовые размеры и некоторые характеристики наиболее распространенных многомодовых и одномодовых кварцевых волокон.
Оптические волокна классифицируются по размеру диаметров сердечника и оболочки, которые разделяет дробная черта /. Например, волокно 50/125 имеет диаметр сердечника 50 мкм и диаметр оболочки 125 мкм. Иногда информации только о размерах недостаточно, чтобы однозначно определить волокно, так как один и тот же размер может иметь различные значения относительной разности показателей преломления и числовую апертуру.
В табл.3. приведены характеристики наиболее распространенных многомодовых стекловолокон.
Таблица 3
Характеристики многомодовых оптических волокон
Диаметры сердечника/ оболочки, мкм |
, % |
Числовая апертура |
50/125 |
1,0 1,3 |
0,20 0,23 |
62,5/125 |
1,9 |
0,275 |
85/125 |
1,7 |
0,26 |
100/140 |
2,1 |
0,29 |
Волокно 50/125 (с обеими числовыми апертурами) было первым основным телекоммуникационным волокном, которое использовалось совместно с лазерными излучателями для организации связи на значительные расстояния. В настоящее время оно используется для расширения ранее созданных многомодовых магистральных систем и локальных вычислительных сетей учреждений. Из-за широкого применения волокно 50/125 стало своеобразным стандартом, с которым сравнивают другие многомодовые волокна.
Волокно 62,5/125. По мере совершенствования технологии изготовления оптических волокон и соответственно уменьшения их стоимости данный размер становится наиболее распространенным при использовании стекловолокон в отдельных сегментах телекоммуникационных сетей, в частности в качестве фидеров абонентского контура. Несколько больший размер диаметра сердечника позволяет использовать в качестве источников излучения светодиоды. Данное волокно наименее чувствительно к оптическим потерям вследствие микроизгибов.
Волокно 85/125. Данный размер волокон специально разработан для локальных вычислительных сетей и работает от светодиодных источников. Недостатком стекловолокна является наибольшая чувствительность к оптическим потерям вследствие изгибов. Именно по этой причине данный размер оптических волокон получил наименьшее применение.
Волокно 100/140. Разработано для низкоскоростной передачи информации на незначительные расстояния в сетях с большим числом ответвлений. Большой диаметр сердечника обеспечивает максимальную эффективность при вводе излучения в стекловолокно, что предъявляет наименьшую требовательность к оконечной заделке волокон. Однако нестандартный размер оболочки создает необходимость использования нестандартных коннекторов, которые несколько дороже аналогичных устройств для размера оболочки волокна 125 мкм.
Одномодовые волокна. Часто упускают из виду, что исследования с одномодовыми волокнами предшествовали экспериментам с многомодовыми волокнами с градиентным профилем показателя преломления. Изыскания, выполненные в 70-е гг., привели к заключению, что одномодовые волокна из-за жестких требований при вводе излучения в световод не имеют практической ценности, что предопределило бурное развитие многомодовых волокон. Однако исследования по разработке одномодовых технологий продолжались и в 1984 г., они были внедрены с большим коммерческим успехом. Одномодовые волокна обладают меньшей дисперсией, а следовательно, большей пропускной способностью и меньшим затуханием, чем многомодовые стекловолокна. В настоящее время одномодовые волокна фактически заменили многомодовые во многих волоконно-оптических системах. Основные данные одномодовых стекловолокон приведены в табл. 4.
Таблица 4
Характеристики одномодовых оптических волокон
Тип оболочки |
Волокна с несмещенной дисперсией, = 1,31 мкм |
Со смещенной, = 1,55 мкм |
||
Диаметр поля моды, 2w0, мкм |
Диаметр сердечника, мкм |
, % |
Диаметр поля моды, 2w0, мкм |
|
Выровненная оболочка |
10,0 9,5 |
9,0 8,3 |
0,28 0,36 |
– 8,1 |
Вдавленная оболочка |
8,8 |
8,3 |
0,30 (0,37) |
7,0 |
Размер оболочки одномодовых стекловолокон составляет 125 мкм.