Фриман Р.Л. Волоконно-оптические системы связи

Подождите немного. Документ загружается.

В этом случае числовая апертура составляет лишь 0,11.

Рис. 2.3. Профили показателей преломления и моды, распространяющиеся в

трех типах ОВ.

2.2. Распространение различных мод по оптоволокну

Многомодовое волокно, с его относительно большой сердцевиной,

допускает распространение по волокну нескольких или многих мод.

Некоторые из этих мод могут распространяться в волокне на небольшие

расстояния и потом исчезать; другие — могут распространяться на всю

длину волокна. Характер многомодового распространения показан на рис.

2.4. Основная проблема возникает тогда, когда эти моды достигают

удаленного приемника. Рассмотрим импульс, прошедший по волокну

некоторое расстояние. Этот импульс несет в себе световую энергию

нескольких мод. Мода самого низкого порядка достигнет приемника быстрее

всего. Остальные моды за счет задержки вносят свой вклад позднее.

Прибывший импульс, составленный из компонентов, распространяющихся

дольше, приводит к уширению прибывшего вначале импульса, составленного

из моды самого низкого порядка, как показано на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Идеализированный рисунок с импульсом источника света в прием-

ном конусе отрезка многомодового световода (или ОВ), показывающий

распространение трех световых мод. Мода самого низкого порядка имеет

на рисунке всего два отражения, тогда как мода самого высокого порядка

имеет семь отражений на том же самом отрезке световода. В результате

энергия моды самого высокого порядка запаздывает по сравнению с энергией

моды самого низкого порядка.

Суть проблемы в том, что каждый из этих импульсов, или его

отсутствие, представляет двоичные 1 и 0. Пусть наличие импульса

соответствует 1, а его отсутствие — 0. И пусть мы передаем

последовательность вида 10. Расширенный за счет дисперсии импульс

двоичной 1 (как показано на рис. 2.4 внизу справа) займет и соседнюю

битовую позицию, которая исходно должна быть двоичным 0. Возникает

типичная битовая ошибка. Это упрощенное описание показывает вредное

влияние дисперсии, взывающей межсимвольную интерференцию.

В этих условиях, при возрастании скорости передачи, когда ширина

импульса становится все меньше, а влияние дисперсии все более

губительным, уровень ошибок ВЕК на линии передачи достигает таких

значений, что становится совершенно неприемлемым.

Эта ситуация может быть сглажена или разрешена путем:

- уменьшения длины передающей линии (сглаживание проблемы);

- уменьшения скорости передачи (сглаживание или устранение

проблемы);

- использования одномодового волокна (устранение модовой

дисперсии) [2.1, 2.2].

2.3. Микроизгибы и макроизгибы

Микроизгибы вызваны несовершенством волокна. Они вызывают

увеличение потерь в кабеле. Эти потери могут быть очень большими и в

некоторых случаях могут даже превышать 100 дБ/км [2.1]. Основная причина

возникновения этих потерь кроется в процессе производства кабеля. Она

связана с искривлениями оси, которые неизбежно происходят в процессе

производства кабеля, когда волокно сдавливается недостаточно гладкими

внешними покрытиями. Потери от микроизгибов являются функцией

диаметра поля моды, конструкции кабеля и его исполнением. Потери от

затухания, вызванного микроизгибами, уменьшаются с диаметром поля

моды.

Макроизгибы соотносят с некоторым определенным малым радиусом.

Производитель кабеля должен указать в спецификации минимальный радиус

изгиба. Когда кабель намотан на катушку, то он, конечно, сгибается по

радиусу катушки. Если он прокладывается, в частности, в зданиях, то он

может сгибаться на углах. Укладчик не должен уменьшать радиус изгиба

меньше минимально допустимого при любой необходимости обхода углов.

Обычно предполагается, что типичный радиус изгиба ВОК должен быть

между 10 и 30 см в зависимости от числа волокон в кабеле. Сгибая ВОК

сильнее, чем это допускается ограничениями на радиус изгиба, можно по-

вредить кабель, даже порвать волокна в кабеле. Это может также вызвать

существенное увеличение затухания волокна [2.3, 2.4].

На рис. 2.5 показаны различия между микроизгибами и макроизгибами.

Рис. 2.5. Рисунок, иллюстрирующий макроизгибы (слева) и микроизгибы

(справа).

2.4. Конструкция кабеля

2.4.1. Диаметр оптоволокна

Проектировщики ВОСП и монтажники часто ссылаются на типоразмер

кабеля в терминах «сердцевина/оболочка». Например, кабель может быть

специфицирован как 50/125, что означает, что диаметр сердцевины — 50

мкм, а оболочки — 125 мкм. В этом случае мы сразу можем сказать, что это

волокно относится к классу многомодового, благодаря диаметру его серд-

цевины. Если бы это было одномодовое волокно, то диаметр его сердцевины

был бы 7-10 мкм.

Внешняя поверхность оболочки имеет специальное покрытие, внешний

диаметр которого 250-500 мкм. В табл. 2.1 приведены основные физические

размеры наиболее общих типов ОВ. Значение 900 мкм в последней колонке

указывает на использование плотной буферной оболочки, тогда как значения

2000-3000 мкм соответствуют свободной буферной оболочке.

Таблица 2.1

Основные размеры оптического волокна (в мкм)

Тип Сердцевина Оболочка Покрытие Буфер или трубка

I 7-10 125 250 или 500 900 или 2000-3000

II 50 125 250 или 500 900 или 2000-3000

III 62,5 125 250 или 500 900 или 2000-3000

IV 85 125 250 или 500 900 или 2000-3000

V 100 140 250 или 500 900 или 2000-3000

Замечания. Волокно типа I соответствует одномодовому волокну.

Волокно типа II соответствует многомодовому волокну, также как и типа III,

IV, V. Волокно типа IV, 85/125, более популярно в Европе, чем в Северной

Америке. Волокно типа V, 100/140, имеет самую большую числовую

апертуру и захватывает больше всего света, благодаря большой сердцевине.

Его потенциальная ширина полосы меньше, чем у других, и используется для

перекрытия небольших и средних пролетов. Учитывая его размеры, оно

легко монтируется, в частности, если используются оптические разъемы, а не

сварка. Его можно встретить в зданиях. (В нашей стране волокна типа IV и V

возможно и применяют для специальных целей, но практически не

используют не только в глобальных, но и в локальных сетях.)

2.4.2. Плотное буферное покрытие или свободная буферная трубка

Буферизация позволяет изолировать волокно от внешнего воздействия.

Два типа буферизации используется на практике: свободный буфер и

плотный буфер, как это показано на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Простые примеры свободной и плотной буферизации волокна.

В конструкции со свободным буфером волокно помещают в пластико-

вую трубку, внутренний диаметр которой значительно больше внешнего

диаметра волокна, как видно из табл. 2.1. Внутренняя поверхность пласти-

ковой трубки обычно покрыта гелем-смазкой.

Свободный буфер изолирует волокно от внешних механических

усилий, прикладываемых к кабелю. Для кабелей, содержащих много волокон,

ряд таких трубок комбинируют с силовыми элементами конструкции кабеля,

чтобы волокна не испытывали напряжения.

Плотная буферизация при производстве кабеля достигается путем ис-

пользования прямой экструзии (бесшовного покрытия) пластика поверх

первичного покрытия волокна. Плотная буферизация меньше изолирует

волокно от внешних воздействий (и температурных изменений). С другой

стороны она позволяет выдерживать значительно большие физические воз-

действия без разрушения волокна.

Кабель типа «breakout» — кабель с плотной буферизацией каждого

волокна с упрочняющей оплеткой из арамидных нитей и чехлом из ПВХ, в

котором упрочненные таким образом волокна соединяются вместе и

покрываются общей для кабеля оболочкой. Такой кабель, допуская простую

оконцовку каждого волокна, позволяет упростить монтаж кабеля.

Кабель со свободной буферизацией оптимизируется для внешней про-

кладки. Основные компоненты в структуре ВОК - кварцевое стекло и по-

лимерный пластик. В заданном температурном диапазоне расширение этих

материалов (скорость/величина) и конструкции в целом будут разными, учи-

тывая, что каждый материал имеет свой коэффициент расширения. Свобод-

ная буферизация дает возможность создать для ОВ условия отсутствия вне-

шних напряжений путем ослабления влияния вышеупомянутых эффектов.

Производители таких кабелей уверены, что соотношение длин волокна и

буферной трубки выбрано так, что ни при каких условиях сжатия/растяжения

от температуры волокно не будет сжато стенками трубки. Условия от-

сутствия напряжений, обеспечиваемые свободной буферизацией, компен-

сируют подвижность внутри кабельной системы так, что никаких

механических усилий в волокне не возникает. Эта особенность расширяет

рабочий диапазон температур таких кабелей.

С другой стороны кабели с плотной буферизацией на позволяют до

такой же степени изолировать волокна от действия внешних сил; поэтому

температурные эффекты растяжения/сжатия, воздействующие на любой из

компонентов такой конструкции, прямо передаются на волокно. В результате

кабели с плотной буферизацией, как правило, более чувствительны к пере-

падам температуры и механическим воздействиям, чем кабели со свободной

буферизацией. Конструкция ВОК с плотной буферизацией хорошо приспо-

соблена для внутренней прокладки, при которой дополнительно требуется

замедление распространения горения. В этом смысле 900-мкм волокно с

плотной буферизацией идеально приспособлено для прямого терминирова-

ния линий в кабельных системах. Однако те же конструктивные особенности

делают такие кабели непригодными для целей внешней прокладки.

Еще одна особенность кабелей со свободной буферизацией — способ-

ность противостоять разрывам, вызванным замерзанием стоячей воды. Вода,

проникающая через внешнюю оболочку кабеля, может привести к росту

кристаллов льда на сердцевине кабеля. Этот лед может привести к возник-

новению микротрещин в кабеле в окрестности этого места, делая кабель

непригодным для использования, ввиду резкого возрастания затухания или

даже полного разрыва волокна. Поэтому весьма важно предотвратить не-

контролируемое попадание воды в кабель.

Конструкция кабелей со свободной буферизацией позволяет защитить

от проникновения воды и ослабить этот эффект, используя две различные

предохранительные меры: блокирующую защиту от проникновения воды в

сердцевину кабеля и заполнение буферной трубки компаундом.

Блокирующая защита осуществляется путем закачки геля вокруг сердцевины

кабеля и оборачиванием сердцевины кабеля водопоглощающим материалом,

что позволяет остановить проникновение воды или существенно уменьшить

ее воздействие в случае повреждения внешней оболочки кабеля. Эти меры

защиты призваны, в первую очередь, сохранить механическую целостность

самого кабеля (например, предотвратить появление трещин от

возникновения ледяных кристаллов, рост плесни или коррозии

металлических частей кабеля, если они есть). Заправка компаундом

позволяет механически амортизировать волокна, давая им возможность

плавать внутри трубки, и создает дополнительный барьер между волокном и

водой/сыростью в рабочих условиях. Стандартный ВОК с плотной

буферизацией не имеет компаунда или водо-блокирующей защиты, что

делает его чувствительным к повреждениям, вызванным проникновением

воды.

Другим вопросом является защита от ультрафиолетового (УФ) излуче-

ния. При подвеске кабелей, ВОК должен иметь возможность противостоять

прямому воздействию солнечного УФ излучения. ВОК со свободной буфе-

ризацией содержит углерод в материале внешней оболочки, чтобы обеспе-

чить защиту от УФ. ВОК с плотной буферизацией не содержит углерода во

внешней оболочке и значит, не может быть использован как кабель для

подвески [2.6].

2.4.3. Силовые элементы

Силовые элементы — важная часть ВОК, особенно в процессе

протягивания во время монтажа линии. Уровень напряжений в кабеле в

процессе протяжки и других действий при монтаже таков, что может вызвать

увеличение потерь за счет возникновения микроизгибов, что в свою очередь

приводит к возрастанию затухания и возможным эффектам «усталости»

материала. Чтобы снять эти стрессовые нагрузки во время монтажа и

эксплуатации, в структуру ВОК добавляются внутренние силовые элементы.

Эти элементы обеспечивают свойства растяжения под нагрузкой, подобно

тому, что имеет место при прокладке телефонных линий и других кабельных

конструкций. Они предохраняют ВОК от перегрузки путем минимизации

удлинений и сжатий. Нужно иметь ввиду, что оптическое волокно хрупкое и

растягивается очень мало, перед тем как разорваться. Таким образом,

силовые элементы должны иметь лишь небольшое удлинение под действием

ожидаемой растягивающей нагрузки.

Три типа силовых элементов широко используются в конструкции

ВОК: эпоксидные стержни из стекловолокна, сталь и арамидные нити.

Усилие разрыва первых двух — 480 фунтов (2135 Н), а для арамида — 944

фунта (4199 Н). Процент удлинения перед разрывом равен 3,5 для

стекловолокна, 0,7 для стали и 2,4 для арамида. Ударное сопротивление,

гибкость и другие механические факторы также влияют на выбор силовых

элементов [2.5].

Некоторые типичные кабельные конструкции (в скрутке и их попереч-

ные сечения) показаны на рис. 2.7(а) и 2.7(б). Рис. 2.7(а) дает 4 примера ВОК,

используемого на длинных секциях сетей кабельного телевидения (КТВ). За

ним следует табл. 2.2(а), в которой приведены типичные физические

характеристики этих типов кабеля. В этой таблице проведены кабели

компании Belden Beloptix. Все 4 примера ВОК относятся к классу «со сво-

бодной буферизацией». Понятия волокна с «выровненным» или с «профиль-

ным» показателем преломления оболочки обсуждаются ниже в 2.6.

Рис. 2.7(а). Скрутки и поперечные сечения 4 кабелей со свободной буфериза-

цией компании Belden Beloptix для использования в длинных секциях

частных/общественных КТВ-сетей (с разрешения компании Belden Wire and

Cable Inc., Richmond, Indiana [2.5]).