1.1. Общие сведения

1.2. Многомодовые оптические волокна

1.3. Одномодовые оптические волокна

1.4. Конструкция оптических кабелей

1.1. Общие сведения

Волоконно-оптические кабели используются в качестве основной физической среды передачи в волоконно-оптическом линейном тракте (ВОЛТ) оборудования синхронной цифровой иерархии (СЦИ).

Преимущества использования оптических кабелей (ОК) по сравнению с медными:

· огромная пропускная способность (другими словами: большая полоса пропускания),

Скорость передачи информации по одному оптическому волокну (ОВ) составляет несколько Терабит в секунду

· малое затухание светового сигнала в волокне,

На длине волны 1, 55 мкм коэффициент затухания ОВ составляет 0,2 дБ/км

· высокая помехозащищенность и малое собственное излучение,

ОВ невосприимчиво к электромагнитным помехам. В оптическом кабеле не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения отдельных волокон

· высокая защищенность от несанкционированного доступа

Передаваемую по ОВ информацию трудно «подслушать», не нарушая приема-передачи

· малый вес и объем и др.

Для количественной оценки линейного тракта ВОСП вводят понятие энергетического потенциала ВОСП (Budget).

ЭП^ВОСП= р_пер–р_{пр мин}, дБ,

где

p_{пер макс} – уровень мощности передатчика,

p_{пр мин} – минимальный уровень мощности приемника, другими словами чувствительность приемника.

Абсолютный уровень мощности р = , дБм,

где P_x–измеряемая мощность в мВт, Р₀ = 1мВт,

относительный уровень мощности р = , дБ,

где Р₁ и Р₂ – любые мощности.

Оптическое волокно представляет собой моноструктуру в виде сердцевины и оболочки, изготавливаемую из кварцевого стекла с различными показателями преломления (причем n_серд >n_обол, где n—показатель преломления).

n = c₀/ V,

где c₀ — скорость электромагнитной волны в вакууме,

V— скорость электромагнитной волны в физической среде (в оптическом волокне).

Так как кварцевое стекло хрупкое, оптическое волокно покрывают защитными оболочками из полимерных материалов (рис.1).

Рис.1

Оптическое волокно, защищенное одной или несколькими защитными оболочками, называется первичным оптическим модулем.

Первичный оптический модуль или совокупность оптических модулей составляют основу оптического кабеля.

Оптические кабели имеют различные /достаточно сложные/ конструкции, отвечающие тем или иным условиям применения.

Используемый в ВОСП диапазон длин волн оптических волокон на основе кварцевого стекла составляет от 850 нм до 1675 нм (рис.2).

Рис.2

Оборудование СЦИ работает во 2-ом и 3-ем окнах прозрачности, что соответствует длинам волн 1310 нм и 1550 нм.

Окно прозрачности – это область длин волн на кривой затухания, где коэффициент затухания имеет минимальное значение. 1-е окно прозрачности соответствует длине волны 850 нм, 2-е окно прозрачности – 1310 нм, 3-е – 1550 нм, 4-е – 1620 нм, 5-е – 1420 нм.

Основой конструирования ОК и основным принципом работы ОК является реализация закона Снеллиуса (рис.3). Если луч падает на границу раздела двух сред (n₁ и n₂), то он частично отражается, а частично проходит в другую среду (преломляется).

n₁sinΘ_пад= n₂sinΘ_прелом

Рис.3

Физической основой передачи светового сигнала по оптическому волокну служит явление полного внутреннего отражения света от границы раздела двух сред с различными показателями преломления (условие выполнения этого явления - угол преломления = 90°).

Подбирая n₁ и n₂, можно добиться того, что угол преломления составил 90° (рис.3).

Различают следующие типы лучей в ОВ:

· Направляемые — основной тип лучей, претерпевают полное внутреннее отражение (апертурные лучи на рис.4)

· Вытекающие — на границе сердцевина-оболочка преломляются и распространяются в оболочке, теряя при этом часть энергии. На некотором расстоянии от начала волокна затухают (примерно 1-3 км). (неапертурные лучи на рис.4)

· Излучаемые — излучаются из оболочки в окружающее пространство

Рис.4

Учитывая конечный диаметр сердцевины (рис.4), в ОВ попадает не один луч, а поток лучей, образующих входной конус с углом при вершине 2Q_крит,определяемым так называемой числовой апертурой NA (эквивалентом половинного угла при вершине конуса, равного апертурному углу Q_крит):

NA₀ = sinQ_крит = ,

где n_с – показатель преломления сердцевины, n_о – показатель преломления оболочки.

Лучи, которые попадают под углом Q≤Q_крит – апертурные, если нет - неапертурные.

Применяются многомодовые и одномодовые ОВ.

Мода—тип электромагнитной волны с соответствующими характерными признаками (траектория распространения (прямолинейная, криволинейная); соотношение диаметра сердцевины и длины волны λ ; плоскость поляризации электромагнитной волны).

Количество мод, распространяющихся в ОВ, находится из решения системы уравнений Максвелла.

В оптике основная волна НЕ₁₁- основная мода.

В одномодовых волокнах распространяется один тип волны (одна мода НЕ₁₁).

В многомодовых волокнах распространяется много типов волн.

К основным передаточным параметрам оптических волокон и, следовательно, оптических кабелей относятся:

· рабочая длина волны;

· коэффициент затухания (километрическое затухание);

· пропускная способность, которая для многомодовых ОВ оценивается коэффициентом широкополосности, а для одномодовых — коэффициентом дисперсии.

Рабочая длина волны определяется одним из окон прозрачности кварцевого стекла (850, 1310, 1550 нм).

Затухание ОК определяется собственными потерями ОВ (поглощением, рассеянием, излучением) и потерями, связанными с монтажом кабеля, при изгибе, при прокладке кабеля, с технологией производства кабеля (микроизгибы). Детально составляющие затухания ОК показаны на рис.5.

Рис.5

Дисперсия — это рассеяние во времени отдельных спектральных составляющих оптического излучения. Дисперсия (рис.6) приводит к уширению импульса на выходе ОВ, т.е. к межсимвольной интерференции и увеличению коэффициента ошибок, т.к. разные спектральные составляющие имеют разные скорости и огибающая импульса на выходе ОК искажается.

Результатом этого являются межсимвольные помехи, что приводит к увеличению коэффициента ошибок К_ош при заданной скорости передачи и заданной длине регенерационного участка L_р.

Среднеквадратическая разность длительностей импульсов на входе и выходе ОВ называется уширением импульса.

В оптическом кабеле, в отличие от электрического, длина регенерационного участка Lр определяется еще и дисперсией.

Причины дисперсии:

· диспергирующая среда (особенности структуры ОВ);

· некогерентность источника излучения, его несовершенство (конечная ширина спектра излучения);

· показатель преломления, (закон его изменения (профильная дисперсия));

· несовершенство конструкции ОВ (эллиптичность сердцевины) (поляризационная модовая дисперсия)

Различают хроматическую – материальную и волноводную – и

поляризационную модовую (ПМД) дисперсии (рис.6). Межмодовая дисперсия возникает в многомодовых волокнах.

Материальная дисперсия – зависимость скорости распространения луча (волны) от длины волны или зависимость показателя преломления от длины волны.

Волноводная (внутримодовая) дисперсия обусловлена процессами внутри моды. Она характеризуется направляющими свойствами сердцевины ОВ, а именно: зависимостью групповой скорости моды от длины волны, что приводит к различию скоростей распространения частотных составляющих излучаемого спектра. Поэтому волноводная дисперсия, в первую очередь, определяется профилем показателя преломления ОВ и пропорциональна ширине спектра источника излучения.

Для лазерных диодов (ЛД) с шириной спектра излучения Δλ < 0,1 нм при переходе со скорости передачи 2,5 Гбит/с на 10 Гбит/с из-за хроматической дисперсии протяженность линии уменьшается в 16 раз. Методы, уменьшающие хроматическую дисперсию, ведут к увеличению потерь, стоимости, сложности. Для стандартного одномодового волокна G.652 для скорости передачи 10 Гбит/с длина линии связи без компенсации дисперсии составляет Lр = 50-75 км.

Рис.6

Хроматическая дисперсия оценивается коэффициентом хроматической дисперсии в пс/нм/км и наклоном кривой дисперсии в пс/нм²/км.

Хроматическую дисперсию в ОВ можно скомпенсировать с помощью компенсаторов хроматической дисперсии.

Поляризационная модовая дисперсия PMD (Polarization Mode Dispersion) возникает из-за различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных составляющих излучения (рис.7).

Рис.7

В оптической линии связи PMD обычно накапливается статистически, как квадратный корень из длины пути L , а не линейно. Полное значение PMD имеет размерность времени (обычно измеряется в пс) и определяется по формуле:

,

где K_PMD - коэффициент PMD (пс/км^1/2). Физический смысл K_PMD - это дисперсия PMD на длине волокна 1 км.

1.2. Многомодовые оптические волокна

Параметры ОВ регламентируются рекомендациями Международного Союза Электросвязи (ITU-T).

Параметры многомодовых ОВ представлены в рекомендации G.651. Эти ОВ работают в первом (850 нм) и втором (1300) окнах прозрачности. Многомодовые ОВ имеют диаметр сердцевины (1 на рис.8) 50мкм (или другое часто используемое стандартное значение 62,5 мкм), диаметр оболочки (2 на рис.8) 125мкм, диаметр защитной оболочки (3 на рис.8) 250 мкм, может присутствовать плотное буферное покрытие 900 мкм.

Рис. 8. Распространение света в многомодовом оптическом волокне со ступенчатым профилем показателя преломления

Больший, в сравнении с одномодовым, диаметр сердцевины многомодового ОВ и большая числовая апертура облегчает его монтаж и эксплуатацию. Основным недостатком такого волокна является наличие межмодовой дисперсии, возникающей из-за того, что разные моды проходят в волокне разный оптический путь. Для уменьшения влияния этого явления было разработано многомодовое волокно с градиентным профилем показателем преломления (рис. 9). Из рисунка видно, что за счет уменьшения показателя преломления от оси ОВ к оболочке скорость распространения лучей увеличивается. Таким образом происходит выравнивание скоростей для лучей (мод), распространяющихся под разными углами.

Рис. 9. Многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломления

Таблица 1. Характеристики многомодовых оптических волокон

1.3. Одномодовые оптические волокна

Одномодовые ОВ имеют диаметр сердцевины от 8 до 10мкм, диаметр оболочки 125 мкм, диаметр защитной оболочки 250 мкм, может присутствовать плотное буферное покрытие 900 мкм.

Параметры стандартного одномодового ОВ регламентируются рекомендацией G.652 МСЭ-Т. Это наиболее широко распространенное волокно. Это ОВ работает во втором окне прозрачности (диапазон длин волн 1,285¸1,330 мкм), в котором коэффициент затухания ~0,35дБ/км, а величина хроматической дисперсии в ОВ достигает минимального, близкого к нулю значения, и в третьем окне прозрачности (диапазон 1,525¸1,565 мкм), где затухание очень мало (~0,2 дБ/км), а дисперсия составляет 16¸18 пс/(нм×км). Стандартное одномодовое волокно имеет ступенчатый профиль показателя преломления.

Параметры одномодового волокна со смещенной в область 1,55 мкм длиной волны нулевой дисперсией (DSF) регламентируются рекомендацией G.653 МСЭ-Т. В этом волокне область минимума оптических потерь совпадает с областью минимальной хроматической дисперсии. Такой тип волокна предпочтителен для высокоскоростных линий связи с большой длиной регенерационного участка, без применения технологий оптического уплотнения (DWDM).

Одномодовое ОВ со смещенной ненулевой дисперсией (NZDSF) было разработано для систем, использующих DWDM-технологии. Его параметры регламентируются рекомендацией G.655 МСЭ-Т. Рабочий диапазон для этих ОВ 1,530¸1,565 мкм, уровень хроматической дисперсии в рабочем диапазоне 0,1¸6 пс/(нм×км). Такой уровень дисперсии достаточно низок для того, чтобы обеспечить скорость передачи до 10 Гбит/с в каждом спектральном канале, и в то же время достаточно высок для эффективного подавления нелинейных эффектов при использовании DWDM-технологий (в частности, для подавления эффекта четырехволнового смешения). Этот эффект приводит к тому, что после прохождения DWDM-сигналом определенной длины волокна возникают компоненты на кратных частотах, т. е. становится невозможным демультиплексирование сигнала. Для данного типа волокна возможно получение волокон с одинаковой по величине, но разной по знаку дисперсией (NZDSF⁺ и NZDSF^– волокна), что дает возможность построения линий со скомпенсированной, близкой к нулю дисперсией, без применения дополнительных устройств. Спектральные зависимости затухания и дисперсии различных одномодовых волокон показаны на рис.10,11,12, а некоторые их характеристики приведены в таблице 2.

Рис. 10. Спектральные зависимости затухания и дисперсии волокон

Рис.11

Рис.12

Таблица 2.

1.4. Конструкция оптических кабелей

ОК подразделяют по ряду признаков: назначение и условия применения, конструктивные и технологические особенности, число ОВ и электрических жил.

ОК можно разделить на кабели для внешней (линейные кабели) и внутренней (внутриобъектовые кабели) прокладки.

По условиям применения кабели делятся на подвесные, подземные (в грунте, в кабельной канализации, в тоннеле) и подводные.

Основное назначение элементов конструкции ОК заключается в том, чтобы сохранять характеристики передачи и механическую прочность волокон стабильными в процессе изготовления, прокладки и эксплуатации кабеля, должны обладать механической прочностью и химической стойкостью.

К факторам, учитываемым при конструировании ОК относятся:

- механические характеристики и характеристики окружающей среды,

- долгосрочная надежность,

- легкость выполнения работ по прокладке и сращиванию,

- применение на сети.

Можно выделить несколько основных групп конструктивных элементов (рис.13) оптических кабелей:

- ОВ с защитными покрытиями,

- сердечники,

- силовые элементы,

- гидрофобные или гидрофильные материалы,

- оболочки и броня.

Рис.13

Как правило, для первичного покрытия ОВ применяют акрилат или силиконовую смолу. Для облегчения идентификации волокон первичное покрытие окрашивается.

ОВ, имеющие первичное покрытие, могут быть вторично защищены:

- посредством свободной укладки внутри трубки или в пазу,

- с помощью плотного покрытия из полимера,

- за счет использования ленточно-полимерной конструкции.

Гидрофобные и гидрофильные материалы препятствуют проникновению влаги в ОК и способствуют увеличению срока службы ОВ. Как правило, это специальный гидрофобный заполнитель. Гидрофильная лента имеет свойство разбухать при попадании воды. Может использоваться комбинация этих материалов. Свободное пространство в ОМ, пазах, а также между ОМ заполняется гидрофобным компаундом. Гидрофобная лента используется для обмотки ОМ и сердечников ОК. Применяется непрерывное и дискретное заполнение гидрофобным компаундом.

Сердечник ОК формируется из одного (сердечник малой емкости) или нескольких (сердечник большой емкости) ОМ. Используются конструкции сердечников с небольшим (менее 100) и с большим (более 100) числом ОВ.

Силовые элементы вводятся в ОК с тем, чтобы обеспечить необходимую прочность ОК и не допустить больших напряжений в ОВ. В качестве материалов для силовых элементов применяют стальную проволоку, а также арамидные нити и стеклопластиковые стержни.

Силовые элементы размещают в центре – для большей гибкости и на периферии – для большей стойкости ОК к ударам и растягивающим усилиям.

Оболочки ОК предназначены для защиты сердечников ОК от внешних воздействий и механических повреждений. Подразделяются на пять типов:

o металлическая/пластмассовая оболочка с металлическими лентами или металлическим слоем,

o пластмассовая оболочка, o пластмассовая оболочка с силовыми элементами, o пластмассовая оболочка, в которую впрессованы силовые элементы с металлической лентой, o бронированная оболочка кабеля.

Рассмотрим примеры маркировки оптических кабелей производства ОАО «Одессакабель»:

ОКК-50-01-0,7-8 это кабель городской связи,

К – для прокладки в канализации,

50 – диаметр сердцевины (ММ волокно),

01 – модификация кабеля – центральный элемент из стеклопластика,

0,7 – коэффициент затухания, дБ/км,

8 – число ОВ.

ОКК-10-02-0,35-4, 10 – одномодовое ОВ, 02 – центральный элемент из стали.

ОКЛ – линейный, магистральный кабель

ОКЛС – с броней из стеклопластиковых стержней

ОКЛБ – с броней из стальных лент

ОКС – ОК станционный.

Рассмотрим примеры конструктивного исполнения и эксплуатационных характеристик оптических кабелей ОКЛ и ОКЛБг производства ОАО «Одессакабель»:

Конструкция

Эксплуатационные характеристики кабеля.

Температурный режим эксплуатация ... -40oС до + 60oС хранение ... -40oС до + 60oС прокладка, монтаж ...-10oС до +50oСРастягивающие нагрузки При прокладке зависят от конструкции кабеля, но не менее 3,5 кН

Радиусы изгиба Циклические при нормальных условиях 200 мм Разовые при t = - 30oС, t = +60oС 150 мм При образовании петли 150 мм При монтаже и эксплуатации 300 ммВодопроницаемость не проницаем по IEC 794-1-F5

Раздавливающее усилие не менее - 3000 Н/100 мм Кабель не подвержен электромагнитным воздействиям, если отсутствуют металические элементы. Электрическое сопротивление изоляции оболочки 2000 MОм* км Коэффициент затухания Для одномодовых волокон: 1310 нм - 0,36 дБ/км; 1550 нм - 0,22 дБ/км Для многомодовых волокон: 850 нм - 3,00 дБ/км; 1300 нм - 1,00 дБ/км Поставка Строительная длина, более - 2 км Максимальная длина - 7 км Поставка на барабанах N 10 .... 18

Конструкция

1	Оптические волокна по ITU-T G.652 и G.651, от 4 до 144 шт.
2	Оптический модуль	полибутилентерефталат (ПБТ)
3	Центральный силовой элемент	стеклопластик или стальной трос в полиэтиленовой оболочке
4	Заполняющий компаунд модуля	тиксотропный гель
5	Заполняющий компаунд сердечника	гидрофобный заполнитель
6	Скрепляющий слой под оболочкой	нити капроновые, пленка ПЭТ-Э
7	Упрочняющий слой (1 и более)	арамидные нити "Кевлар", "Тварон" (могут отсутствовать)
8	Оболочка	полиэтилен, толщиной - 1,0 мм
9	Бронепокров	гофрированная ламинированная стальная лента; водоблокирующая лента или гель под гофрированной лентой
10	Защитная оболочка	полиэтилен или ПВХ, толщиной - 2,0 мм*

*Примечание: бронепокров со сваренным швом. Защитная оболочка сварена с гофрированной лентой.

Эксплуатационные характеристики кабеля.

Температурный режим эксплуатация - 40oС до + 60oС хранение - 40oС до + 60oС прокладка, монтаж -10oС до +50oС Растягивающие нагрузки При прокладке зависят от конструкции кабеля, но не менее 3,5 кН

Радиусы изгиба Циклические при нормальных условиях 250 мм Разовые при t = - 30oС, t = +60oС 150 мм При образовании петли 150 мм При монтаже и эксплуатации 300 мм Водопроницаемость не проницаем по IEC 794-1-F5

Раздавливающее усилие не менее - 3000 Н/100 мм Категория молниестойкости по K.25 ITU-T ( I>105 кA ) Электрическое сопротивление изоляции оболочки 2000 MОм* км Коэффициент затухания

	Длина волны, нм	КЗ
Для одномодовых волокон:	1310 1550	0,36 0,22
Для многомодовых волокон:	850 1300	3,00 1,00

Поставка Строительная длина, более 2 км Максимальная длина 7 км. Поставка на барабанах N 10 .... 20