Описания / Основные поняятия волоконной оптики.
Оптоволокно. Основные поняятия волоконной оптики.
Оптоволоконные коммуникационные линии по сравнению с металлическими системами имеют определенные преимущества. Передаваемый сигнал не искажается исходящими извне электромагнитными и радиочастотными помехами, поэтому оптический кабель абсолютно невосприимчив к воздействию высокого напряжения или молнии. Кроме того, в оптоволоконных кабелях отсутствует электромагнитное излучение, что идеально соответствует строгим стандартам, предъявляемым сегодня к телевизионным и компьютерным прикладным системам.
Благодаря тому, что оптические сигналы не требуют заземления, передатчик и приемник изолированы и, следовательно, свободны от проблем, связанных с организацией заземляющего контура.
Отсутствие проблемы заземления при передаче “терминала к терминалу” плюс защита от искрения и возгорания делают оптоволоконный кабель самым приемлемым для применения в прикладных программах обработки данных, где требуется соблюдение безопасности эксплуатации при опасных и огнеопасных режимах работы.
Цифровые вычислительные системы, телефоны, системы трансляции радио- и видеосигналов требуют более качественной передачи. Широкая полоса пропускания сигнала оптоволокна увеличивает пропускную способность канала. Из-за крайне низкого коэффициента затухания оптоволоконного кабеля при его использовании требуется меньшее количество ретрансляторов. Все перечисленные преимущества идеально соответствуют требованиям для передачи радио- и телевизионных сигналов. При передаче одинакового по мощности сигнала по коаксиальному и оптоволоконному кабелю последний будет иметь меньший вес и диаметр, что существенно упрощает процесс его прокладки. Оптоволоконный кабель с одной центральной жилой имеет линейный вес 9 г/м, а соответствующий коаксиальный кабель — 119 г/м, то есть в 13 раз больше.
Электронное прослушивание основано на электромагнитном контроле. Оптоволоконные системы защищены от подобного шпионского вмешательства, так как для извлечения данных они должны быть физически разрушены, что влечет за собой неизбежное ослабление сигнала и увеличение коэффициента ошибок. Оба эти фактора легко обнаруживаются.
В таблице 1 подытожены преимущества оптоволоконных систем.
Таблица 1
Диэлектрик
Небольшой размер
Малое затухание
Оптические сигналы
Большая ширина диапазона
Основные составляющие элементы оптоволокна
Строение оптоволокна
Стержень
Зона прохождения света через волокно (стекло или пластик). Чем больше диаметр стержня, тем больший пучок светового излучения передается по волокну (см. рис. 1).
Оболочка
Обеспечивает достаточно низкий показатель преломления на поверхности стержня, чтобы вызвать эффект полного внутреннего отражения в сердечнике для передачи световых волн через волокно.
Покрытие
Представляет собой многослойную пластмассовую оболочку, предназначенную для защиты волокна от ударов и других внешних воздействий. Такие буферные покрытия имеют толщину от 250 до 900 мкм.
Диаметр волокна
Размеры стекловолокна обычно характеризуются внешним диаметром сердечника, оболочки и покрытия. Например: 50/125/250 указывает, что у оптоволокна диаметр сердечника — 50 микрон, оболочки — 125 микрон и покрытия — 250 микрон. Для сравнения — лист бумаги по толщине приблизительно равен 25 микронам. При подключении или соединении волокон покрытие всегда удаляется.
Типы волокон
Волокно различается по типам маршрутов световых лучей или способам их прохождения по сердечнику волокна. Существует 2 основных типа волокон: многолучевое и однолучевое (в литературе более распространены термины многомодовое и одномодовое волокна. — ред.). Волокна с сердечником многолучевого типа делятся на шаговые и ступенчатые. Многолучевой шаговый тип волокна получил свое название из-за резкой, подобно скачку, разности в показателях преломления сердечника и оболочки.
В более распространенном ступенчатом сердечнике световые лучи также распространяются по волокну многолучевыми трассами, но в отличие от шагового ступенчатый сердечник содержит много слоев стекла, каждый с более низким коэффициентом преломления, в направлении от оси.
В результате такой градации световые лучи ускоряются на внешних слоях, с тем чтобы совпасть с лучами, проходящими более короткими траекториями, идущими вблизи от оси.
Волокно со ступенчатым сердечником диаметром 50, 62.5 и 100 микрон выпускается серийно.
Волокно однолучевого типа позволяет передавать по сердечнику единичные световые лучи. Это фактически устраняет любое искажение из-за наложения световых импульсов друг на друга. Сердечник волокна однолучевого типа чрезвычайно мал по размеру, приблизительно 5..10 микрон.
Волокно однолучевого типа обладает более высокой пропускной способностью и мощностью по сравнению с многолучевыми. Например, телекоммуникационный кабель для подводного использования может передавать до 60000 каналов телефонной радиосвязи на паре волокон однолучевого типа.
При подборе компонентов для оптоволоконных систем учитываются 2 параметра оптоволокна, влияющие на эффективность трансляции: ширина полосы пропускания и затухание.
Ширина полосы пропускания
Ширина полосы — это параметр пропускной способности волокна. Чем больше ширина полосы, тем больше информационная емкость.
Пропускная способность характеризуется соотношением: частота/расстояние (МГц/км). Например, волокно 200 МГц/км способно передавать данные в полосе 200 МГц на расстояние до 1 км и в полосе 100 МГц на расстояние до 2 км.
Затухание
В дополнение к физическим изменениям импульсов света, возникающих из-за ограниченности полосы пропускания, также имеет место снижение уровня оптической мощности по мере прохождения импульсов по волокну. Такого рода потери оптической мощности или затухание измеряется в децибелах на километр (дБ/км) на указанной длине волны.
Потери в оптоволокне
Излучение, используемое в оптоволоконных системах, находится в инфракрасной части оптического спектра, в котором затухание при прохождении света через волокно сильно зависит от длины волны. Поэтому затухание или потери мощности должны измеряться для волн установленной длины для каждого типа волокна (см. рис. 3). Длина волны измеряется в нанометрах (нм) — миллиардная метра — и представляет собой расстояние между двумя циклами одной и той же волны. Количество потерянной оптической энергии, вызванное поглощением и рассеиванием излучения на определенной длине волны, выражается как коэффициент затухания в децибелах на километр (дБ/км).
Потери оптической мощности на волнах разной длины происходят в волокне из-за поглощения и рассеивания. Оптимальный режим эксплуатации волокна достигается на волнах определенной длины. Например, потери менее 1 дБ/км характерны для волокна многолучевого типа 50/125 мм, работающего при 1300 нм, и менее 3 дБ/км типичны для волокна этого же типа, работающего при 850 нм.
Эти два диапазона длин волн — 850 и 1300 нм являются самыми распространенными и наиболее часто используемыми сегодня для передачи сигнала по стекловолоконным кабелям. Для этих длин волн промышленностью выпускаются сегодня передатчики и приемники. Наилучшее качество имеет стекловолокно, работающее в однолучевом режиме при длине волны 1550 нм.
Потери на микроизгибах
Без соответствующей защиты оптическое волокно подвержено оптическим потерям, вызванным микроизгибами. Микроизгибы — это временные отклонения волокна, вызванные поперечными нагрузками, которые влекут за собой потери оптической мощности в сердечнике. Для сведения к минимуму влияния микроизгибов применяются разные способы защиты волокна. В отличие от волокон ступенчатого типа, волокна с сердечником шагового типа относительно устойчивы к потерям при микроизгибах.
| свободный буфер | плотный буфер | breakout | ||
| радиус изгиба | больше | меньше | больше | |
| Диаметр | больше | меньше | больше | |
| прочность на растяжение, разрыв | выше | ниже | выше | |
| сопротивление удару | ниже | выше | выше | |
| сопротивление давлению | ниже | выше | выше | |
| изменение коэф. затухания при низких температурах | ниже | выше | выше | |
Первичная защита волокна
Оптоволокно — очень тонкий световод. Внешние воздействия приводят к появлению микрозигзагов и, соответственно, к дополнительным потерям. Чтобы изолировать волокно от воздействия внешних сил применяют два дополнительных защитных слоя — свободный буфер и плотный буфер (см. рис. 4).
Свободный буфер сконструирован таким образом, что волокно находится в пластиковой трубке, у которой внутренний диаметр значительно больше, чем само волокно. Как правило, внутри пластиковая трубка заполняется гелем.
Свободный буфер изолирует волокно от внешних механических повреждений, воздействующих на кабель. Многоволоконный кабель обычно состоит из нескольких таких трубок, каждая из которых содержит одно или несколько волокон, объединенных закрепляющими компонентами для защиты волокон от внешнего давления и минимизации растяжения.
Другой способ защиты волокна — плотный буфер — использует прямое прессование пластика поверх основного слоя волокна.Строение плотного буфера дает возможность противостоять гораздо большей силе удара и силе давления и не влечет за собой разрыв волокна. Хотя плотный буфер более гибкий, чем свободный, оптические потери, вызванные сильными изгибами и скручиванием, из-за микроизгибов могут превышать номинальные технические нормы.
Улучшенная конструкция плотного буфера — усиленный кабель, так называемый кабель breakout. В кабеле breakout волокно с плотным буфером окружено арамидной пряжей и покрытием, типа полихлорвинил. Затем одноволоконные элементы покрываются единой оболочкой для образования кабеля breakout. Преимущества такого “кабеля в кабеле” обеспечивают упрощенное подключение и установку.
Каждая из представленных конструкций имеет свои преимущества. Трубка свободного буфера дает более низкий коэффициент затухания кабеля при микроизгибах, чем в любом другом виде волокна, а также высокий уровень изоляции от воздействия внешних условий.
При воздействии длительных механических нагрузок свободная трубка обеспечивает более стабильные параметры передачи. Конструкция плотного буфера проста и представляет собой гибкий и устойчивый к разрушению кабель.
Выбор физических параметров
Применяя свободный или плотный буфер, системный разработчик делает выбор между потерями при микроизгибах и гибкостью кабеля.
Для установки кабеля большое значение имеют механические свойства, такие как предел прочности, ударопрочность, гибкость. Требования к климатическим условиям — это устойчивость к воздействию влаги, химических веществ и ряду других атмосферных и внешних условий.
| Укрепляющие элементы | Разрушающая нагрузка, фунты | Диаметр, дюймы | Удлинение, % | Вес1000 футов, фунты |
| FGE | 480 | .045 | 3.5 | 1.4 |
| Сталь | 480 | .062 | 0.7 | 7.5 |
| Арамид | 944 | .093 | 2.4 | 1.8 |
Механическая защита
Стандартная нагрузка кабеля, возникающая при установке, может в конечном итоге привести волокно в напряженное состояние. Напряжение может вызвать потери при микроизгибах, что в свою очередь приводит к увеличению коэффициента затухания. Для того чтобы перераспределить нагрузочные напряжения, упростить установку и увеличить срок эксплуатации, в конструкцию оптического кабеля добавляют различного рода внутренние укрепляющие элементы. Такие элементы обеспечивают нагрузочные напряжения, присущие электронному кабелю, и освобождают волокно от давления, сводя до минимума эффект вытягивания и сжатия кабеля. В некоторых случаях такие элементы действуют как термоизоляторы.
Таблица 3 демонстрирует сравнительные характеристики укрепляющих элементов. Оптоволокно перед разрывом слегка растягивается, поэтому укрепляющие элементы должны иметь низкий коэффициент удлинения.
Есть и другие факторы, воздействующие на выбор подобного рода элементов, — сопротивляемость удару, гибкость, изгиб и др.
Укрепляющие элементы, которые, как правило, используются в оптоволоконном кабеле, включают в себя арамидную пряжу, стекловолоконный эпоксидный стержень (FGE) и стальной провод. Намотанная виток к витку арамидная пряжа оказывается в 5 раз прочнее стали. Вместе со стекловолоконным эпоксидным стержнем пряжа является обязательным компонентом при создании диэлектрика.
Для эксплуатации при чрезвычайно низких температурах выбирают сталь и FGE, так как эти материалы более устойчивы к колебаниям температур.
Разработка и оформление Андрея Александровича Борисенко aka ICE.
По всем вопросам просьба писать мне на icenet (at) narod.ru