Реферат: Доклад по волоконной оптике
Направляющие
системы связи
Конструкция и характеристика
оптических кабелей связи
Классификация
оптических кабелей связи
Оптический
кабель состоит из скрученных по определенной системе оптических волокон из
кварцевого стекла (световодов), заключенных в общую защитную оболочку. При
необходимости кабель может содержать силовые (упрочняющие) и демпфирующие
элементы.
Существующие ОК по своему
назначению могут быть классифицированы на три группы: магистральные, зоновые и
городские. В отдельные группы выделяется подводные, объектовые и монтажные ОК.
Магистральные
ОК
предназначаются для передачи информации на большие расстояния и значительное
число каналов. Они должны обладать малыми затуханием и дисперсией и большой
информационно-пропускной способностью. Используется одномодовое волокно с
размерами сердцевины и оболочки 8/125 мкм. Длина волны 1,3...1,55 мкм.
Зоновые ОК служат для
организации многоканальной связи между областным центром и районами с
дальностью связи до 250 км. Используются градиентные волокна с размерами 50/125
мкм. Длина волны 1,3 мкм.
Городские ОК применяются
в качестве соединительных между городскими АТС и узлами связи. Они рассчитаны
на короткие расстояния (до |10 км) и большое число каналов. Волокна-градиентные
(50/125 мкм). Длина волны 0,85 и 1,3 мкм. Эти линии, как правило, работают без
промежуточных линейных регенераторов.
Подводные ОК
предназначаются для осуществления связи через большие водные преграды. Они
должны обладать высокой механической прочностью на разрыв и иметь надежные
влагостойкие покрытия. Для подводной связи также важно иметь малое затухание и
большие длины регенерационных участков.
Объектовые ОК служат для
передачи информации внутри объекта. Сюда относятся учрежденческая и
видеотелефонная связь, внутренняя сеть кабельного телевидения, а также бортовые
информационные системы подвижных объектов (самолет, корабль и др.).
Монтажные ОК используются
для внутри- и межблочного монтажа аппаратуры. Они выполняются в виде жгутов или
плоских лент.
Оптические
волокна и особенности их изготовления
Основным
элементом ОК является оптическое волокно (световод), выполненное в виде тонкого
стеклянного волокна цилиндрической формы, по которому передаются световые
сигналы с длинами волны 0,85...1,6 мкм, что соответствует диапазону частот
(2,3...1,2) • 1014 Гц.
Световод
имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными
показателями преломления . Сердцевина служит для передачи электромагнитной
энергии. Назначение оболочки — создание лучших условий отражения на границе
“сердцевина — оболочка” и защита от помех из окружающего пространства.
Сердцевина
волокна, как правило, состоит из кварца, а оболочка может быть кварцевая или
полимерная. Первое волокно называется кварц—кварц, а второе кварц—полимер (кремнеор-ганический
компаунд). Исходя из физико-оптических характеристик предпочтение отдается
первому. Кварцевое стекло обладает следующими свойствами: показатель
преломления 1,46, коэффициент теплопроводности 1,4 Вт/мк, плотность 2203 кг/м3.
Снаружи световода располагается
защитное покрытие для предохранения его от механических воздействий и нанесения
расцветки. Защитное покрытие обычно изготавливается двухслойным: вначале
кремнеорганический компаунд (СИЭЛ), а затем—эпоксидакрылат, фторопласт, нейлон,
полиэтилен или лак. Общий диаметр волокна 500...800 мкм (рис. 1).
Рис. 1. Сечение оптического
волокна:
1— сердцевина ; 2 — оболочка
; 3 — защитное покрытие
В существующих
конструкциях ОК применяются световоды трех типов: ступенчатые с диаметром
сердцевины 50 мкм, градиентные со сложным (параболическим) профилем показателя
преломления сердцевины и одномодовые с тонкой сердцевиной (6...8 мкм) (рис. 2).
Рис. 2.
Оптические волокна:
а — профиль показателя
преломления; б — прохождение луча; 1 — ступенчатые; 2 — градиентные; 3 —
одномодовые
По
частотно-пропускной способности и дальности передачи лучшими являются
одномодовые световоды, а худшими — ступенчатые.
Важнейшая проблема оптической
связи — создание оптических волокон (ОВ) с малыми потерями. В качестве
исходного материала для изготовления ОВ используется кварцевое стекло , которое
является хорошей средой для распространения световой энергии. Однако, как
правило, стекло содержит большое количество посторонних примесей, таких как
металлы (железо, кобальт, никель, медь) и гидроксильные группы (ОН). Эти
примеси приводят к существенному увеличению потерь за счет поглощения и
рассеяния света. Для получения ОВ с малыми потерями и затуханием необходимо
избавиться от примесей, чтобы было химически чистое стекло.
В настоящее
время наиболее распространен метод создания ОВ с малыми потерями путем
химического осаждения из газовой фазы.
Получение ОВ
путем химического осаждения из газовой фазы выполняется в два этапа:
изготовляется двухслойная кварцевая заготовка и из нее вытягивается волокно.
Заготовка изготавливается следующим образом (рис. 3).
Рис. 3.
Изготовление заготовки методом химического осаждения из газовой фазы:
1—опорная трубка (оболочка );
2—осажденные продукты (сердцевина ); 3—нагревательная спираль; 4 — газообразный
поток кварца
Во внутрь
полой кварцевой трубки с показателем преломления длиной 0,5...2 м и диаметром
16...18 мм подается струя хлорированного кварца и кислорода . В результате
химической реакции при высокой температуре (1500...1700° С) на внутренней
поверхности трубки слоями осаждается чистый кварц . Таким образом, заполняется
вся внутренняя полость трубки, кроме самого центра. Чтобы ликвидировать этот
воздушный канал, подается еще более высокая температура (1900° С), за счет
которой происходит схлопывание и трубчатая заготовка превращается в сплошную
цилиндрическую заготовку. Чистый осажденный кварц затем становится сердечником
ОВ с показателем преломления , а сама трубка выполняет роль оболочки с
показателем преломления . Вытяжка волокна из заготовки и намотка его на
приемный барабан производятся при температуре размягчения стекла (1800...2200°
С). Из заготовки длиной в 1 м получается свыше 1 км оптического волокна (рис.
4).
Рис. 4.
Вытягивание волокна из заготовки:
1 —
заготовка; 2 — печь; 3 — волокно; 4 — приемный барабан
Достоинством данного способа
является не только получение ОВ с сердечником из химически чистого кварца, но и
возможность создания градиентных волокон с заданным профилем показателя
преломления. Это осуществляется: за счет применения легированного кварца с
присадкой титана, германия, бора, фосфора или других реагентов. В зависимости
от применяемой присадки показатель преломления волокна может изменяться. Так,
германий увеличивает, а бор уменьшает показатель преломления. Подбирая
рецептуру легированного кварца и соблюдая определенный объем присадки в
осаждаемых на внутренней поверхности трубки слоях, можно обеспечить требуемый
характер изменения по сечению сердечника волокна.
Конструкции
оптических кабелей
Конструкции
ОК в основном определяются назначением и областью их применения. В связи с этим
имеется много конструктивных вариантов. В настоящее время в различных странах
разрабатывается и изготавливается большое число типов кабелей.
Рис. 5.
Типовые конструкции оптических кабелей:
а—повивная концентрическая
скрутка; б—скрутка вокруг профилированного сердечника; в—плоская конструкция;
1— волокно; 2— силовой элемент; 3— демпфирующая оболочка; 4—защитная оболочка;
5—профилированный сердечник; 6— ленты с волокнами
Однако все многообразие
существующих типов кабелей можно подразделять на три группы (рис.5):
8. кабели
повивной концентрической скрутки
9. кабели с
фигурным сердечником
10.
плоские
кабели ленточного типа.
Кабели первой
группы имеют традиционную повивную концентрическую скрутку сердечника по
аналогии с электрическими кабелями. Каждый последующий повив сердечника по
сравнению с предыдущим имеет на шесть волокон больше. Известны такие кабели
преимущественно с числом волокон 7, 12, 19. Чаще всего волокна располагаются в
отдельных пластмассовых трубках, образуя модули.
Кабели второй
группы имеют в центре фигурный пластмассовый сердечник с пазами, в которых
размещаются ОВ. Пазы и соответственно волокна располагаются по геликоиде, и
поэтому они не испытывают продольного воздействия на разрыв. Такие кабели могут
содержать 4, 6, 8 и 10 волокон. Если необходимо иметь кабель большой емкости,
то применяется несколько первичных модулей.
Кабель
ленточного типа состоит из стопки плоских пластмассовых лент, в которые вмонтировано
определенное число ОВ. Чаще всего в ленте располагается 12 волокон, а число
лент составляет 6, 8 и 12. При 12 лентах такой кабель может содержать 144
волокна.
В оптических
кабелях кроме ОВ, как правило, имеются следующие элементы:
·
силовые
(упрочняющие) стержни, воспринимающие на себя продольную нагрузку, на разрыв;
·
заполнители
в виде сплошных пластмассовых нитей;
·
армирующие
элементы, повышающие стойкость кабеля при механических воздействиях;
·
наружные
защитные оболочки, предохраняющие кабель от проникновения влаги, паров вредных
веществ и внешних механических воздействий.
В России
изготавливаются различные типы и конструкций ОК. Для организации многоканальной
связи применяются в основном четырех- и восьмиволоконные кабели.
Представляют
интерес ОК французского производства (рис.6). Они, как правило, комплектуются
из унифицированных модулей, состоящих из пластмассового стержня диаметром 4 мм
с ребрами по периметру и десяти ОВ, расположенных по периферии этого стержня.
Кабели содержат 1, 4, 7 таких модулей. Снаружи кабели имеют алюминиевую и затем
полиэтиленовую оболочку.
Рис. 6.
Конструкции оптических кабелей французского производства:
а —
10-волоконный модуль; б — 70-волоконный кабель; 1 — оптические волокна; 2 —
фигурный сердечник;
3 — силовой элемент;
4 — пластмассовая лента; 5—модуль на десять волокон; 6 — алюминиевая оболочка;
7—полиэтиленовая оболочка
Американский
кабель, широко используемый на ГТС, представляет собой стопку плоских
пластмассовых лент, содержащих по 12 ОВ. Кабель может иметь от 4 до 12 лент,
содержащих 48— 144 волокна (рис.7).
Рис. 7.
Американский кабель плоской конструкции:
а—лента с 12
волокнами; б—сечение кабеля; в—общий вид кабеля; 1—оптическое волокно;
2—полиэтиленовая лента; 3—стопка лент из 144 волокон; 4— защитное покрытие; 5 —
внутренняя полиэтиленовая оболочка; 6 — пластмассовые ленты; 7 — силовые
элементы; в — полиэтиленовые оболочки
На (рис.8) показан японский ОК с
алюминиевой оболочкой и наружным полиэтиленовым шлангом.
Рис. 8.
Японский оптический кабель:
1 —
оптические волокна; 2—медный силовой элемент; 3 — демпфирующее покрытие;
4—наружная оболочка
В
Англии построена опытная линия электропередачи с фазными проводами, содержащими
ОВ для, технологической связи вдоль ЛЭП. Как видно из (рис.9), в центре провода
ЛЭП располагаются четыре ОВ.
Рис. 9. Оптический кабель,
встроенный в фазный провод ЛЭП:
1 —
оптические волокна; 2 — защитное покрытие; 3 — проводники ЛЭП
Применяются также подвесные ОК
(рис.10). Они имеют металлический трос, встроенный в кабельную оболочку. Кабели
предназначаются для подвески по опорам воздушных линий и стенам зданий.
Рис. 10.
Подвесной оптический кабель с встроенным тросом:
1—оптические
волокна; 2—стальной трос; 3 — полиэтиленовая оболочка
Для подводной связи
проектируются ОК, как правило, с наружным броневым покровом из стальных
проволок (рис.11). В центре располагается модуль с шестью ОВ. Кабель имеет
медную или алюминиевую трубку. По цепи “трубка—вода” подается ток
дистанционного питания на подводные необслуживаемые усилительные пункты.
Рис.11. Подводный
оптический кабель:
а —
шестиволоконный модуль (3 варианта); б—подводный кабель; 1—оптический модуль;
2—шесть оптических волокон; 3—силовой элемент из стальной проволоки; 4 —
полиэтиленовая оболочка модуля; 5 —пластмассовые трубки; 6—заполнение
компаундом; 7—стальная броня; 8 — медная или алюминиевая трубка;
9—полиэтиленовый шланг
Оптические
кабели российского производства
Первое
поколение ОК, созданных в 1986—1988 гг., включает кабели городской (ОК-50),
зоновой (ОЗКГ) и магистральной (ОМЗКГ) связи. Современные требования развития
связи потребовали создания новых усовершенствованных типов ОК (второе
поколение). Такими кабелями, разработанными в период 1990—1992 гг., являются:
ОКК—для городской связи (прокладка в канализации), ОКЗ—для зоновой и ОКЛ—для
линейной магистральной связи.
Отличительные
особенности ОК второго поколения:
·
переход
на волны 1,3 и 1,55 мкм;
·
применение
одномодовых волокон;
·
модульные
конструкции кабелей (каждый модуль на 1, 2, 4 волокна);
·
наличие
медных жил для дистанционного электропитания;
·
разнообразие
типов наружных оболочек (стальные ленты, проволоки, стеклопластик, полиэтилен,
оплетка);
·
широкополосность
и большие длины регенерационных участков.
Кабель ОКК по сравнению с
ОК-50 имеет меньшее затухание, большие дальность связи и широкополосность.
Кабель ОКК состоит из градиентных и одномодовых волокон.
Новый зоновый
кабель ОКЗ имеет различные типы оболочек, позволяющих использовать его в
различных условиях эксплуатации (земля, вода, подвеска).
Кабель междугородной
связи ОК.Л по сравнению с предшествующим (ОМЗКГ) обладает большей длиной
трансляционного участка и позволяет применять наиболее мощную систему передачи
на 7680 каналов (“Сопка-5”).
Рассмотрим
конструкции отечественных ОК.
Кабель
городской связи типа ОК-50 содержит четыре или восемь
волокон (рис.12). Волокна свободно расположены в полимерных трубках. Скрутка —
повивная, концентрическая. В центре размещен силовой элемент из высокопрочных
полимерных нитей. Снаружи имеется, полиэтиленовая оболочка.
Рис. 12.
Оптический кабель городской связи ОК-50:
1 — силовой
элемент; 2 — пластмассовая трубка; 3 — волокно; 4 — пластмассовая лента;
5—полиэтиленовая оболочка
Четырехволоконный кабель ОК-4
имеет принципиально ту же конструкцию и размеры, что и восьмиволоконный, но
только четыре волокна в нем заменены пластмассовыми стержнями. Изготавливаются
также кабели, содержащие больше число волокон. Городские кабели прокладываются
в телефонные канализации.
Кабель
городской связи типа ОКК, прокладываемый в канализации,
содержит 4, 8 или 16 волокон (рис.13). Кабель имеет градиентные волокна с
диаметром сердцевины 50 мкм (ОКК-50-01) или одномодовые волокна с диаметром
сердцевины 10 мкм (ОКК-10-02).
Рис. 13.
Оптический кабель городской связи марки ОККС:
1 — силовой
элемент (стеклопластик); 2 — оптическое волокно; 3 — пластмассовая лента; 4 —
стеклопластиковые стержни; 5—полиэтиленовый шланг
Силовой
центральный элемент выполнен из стеклопластиковых стержней или стального троса,
изолированного полиэтиленом. Поверх наложена скрутка из восьми оптических
модулей или корделей. В каждом модуле может содержаться 1, 2 или 4 ОВ. Затем
наложены фторопластная лента и полиэтиленовый шланг.
Кабели,
предназначенные для прокладки в грунтах, зараженных грызунами или подверженных
механическим воздействиям, имеют еще броневой покров из стеклопластиковых
стержней, а
поверх него—полиэтиленовый шланг (ОККС). Известны конструкции, в которых вместо
стержней применяется оплетка (ОККО).
Для подводных
речных переходов применяется кабель в алюминиевой оболочке с броневым покровом
из круглых стальных проволок и полиэтиленовым шлангом (ОККАК). Для станционных
вводов и монтажа создан кабель ОКС.
Кабель
зоновой связи марки ОЗКГ (рис.14) содержит восемь градиентных волокон,
расположенных в пазах профилированного пластмассового сердечника. Так как
кабель предназначен для непосредственной прокладки в грунт, он имеет защитный
броневой покров из стальных проволок диаметром 1,2 мм. Дистанционное
электропитание регенераторов осуществляется по четырем медным изолированным
проводникам диаметром 1,2 мм, расположенным в броневом покрове кабеля. Снаружи
кабель имеет полиэтиленовую оболочку.
Страницы: 1, 2, 3, 4
|