Волоконно-оптические системы передачи

  Важным этапом в развитии техники связи явилось изобретение, а начиная с 1912—1913 гг. освоение производства электронных ламп. В 1917 г. В. И.   Коваленковым был разработан и испытан на линии телефонный усилитель на электронных лампах. В 1923 г. была осуществлена телефонная связь с усилителями на линии Харьков—Москва—Петроград.

  В 30-х годах началось развитие многоканальных систем передачи. В последующем стремление расширить спектр передаваемых частот и увеличить пропускную способность линий привело к созданию новых типов кабелей, так называемых коаксиальных. Но массовое изготовление их относится лишь к 1935 г., к моменту появления новых высококачественных диэлектриков типа эскапона, высокочастотной керамики, полистирола, стирофлекса и т. д. Эти кабели допускают передачу энергии при частоте токов до нескольких миллионов герц и позволяют производить по ним передачу телевизионных программ на большие расстояния. Первая коаксиальная линия на 240 каналов ВЧ телефонирования была проложена в 1936 г. По первым трансатлантическим подводным кабелям, проложенным в 1856 г., организовывали лишь телеграфную связь, и только через 100 лет, в 1956 г., была сооружена подводная коаксиальная магистраль между Европой и Америкой для многоканальной телефонной связи.

  В 1965—1967 гг. появились опытные волноводные линии связи для передачи широкополосной информации, а также криогенные сверхпроводящие кабельные линии с весьма малым затуханием. С 1970 г. активно развернулись работы по созданию световодов и оптических кабелей, использующих видимое и инфракрасное излучения оптического диапазона волн.

  Создание волоконного световода и получение непрерывной генерации полупроводникового лазера сыграли решающую роль в быстром развитии волоконно-оптической связи. К началу 80-х годов были разработаны и испытаны в реальных условиях волоконно-оптические системы связи. Основные сферы применения таких систем — телефонная сеть, кабельное телевидение, внутри объектовая связь, вычислительная техника, система контроля и управления технологическими процессами и т. д.

  В России и других странах проложены городские и междугородные волоконно-оптические линии связи. Им отводится ведущее место в научно-техническом прогрессе отрасли связи.  
 
 

3.Конструкция и характеристика оптических кабелей связи  

Разновидности 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.  

4.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

  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)

  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

 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.

  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.  
 
 
 
 
 
 

5.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.

  Однако все многообразие существующих типов кабелей можно подразделять на три группы

1. кабели  повивной концентрической скрутки 

2. кабели  с фигурным сердечником 

3. 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 кромеОВ, 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. 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.

  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.

  В Англии построена опытная линия электропередачи с фазными проводами, содержащими ОВ для, технологической связи вдоль ЛЭП. В центре провода ЛЭП располагаются четыре ОВ.

  Применяются также подвесные ОК. Они имеют металлический трос, встроенный в кабельную оболочку. Кабели предназначаются для подвески по опорам воздушных линий и стенам зданий.

  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.  
 
 
 
 
 

6.Основные требования к линиям связи  

  В общем виде требования, предъявляемые высокоразвитой современной техникой электросвязи к междугородным линиям связи, могут быть сформулированы следующим образом:

· осуществление  связи на расстояния до 12500 км в пределах страны и до 25 000 для международной  связи;

· широкополосность и пригодность для передачи различных  видов современной информации (телевидение, телефонирование, передача данных, вещание, передача полос газет и т. д.);