Волоконная оптика и ее применение (стр. 2 из 9)

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.

Таблица 2. Преимущества свободного и плотного буферов
параметры кабеля	структура кабеля
	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. 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 та 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.

Таблица 3. Сравнительные характеристики укрепляющих элементов
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.

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.

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.

- 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.

Преимущества ВОЛС

Передача информации по ВОЛС имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю. Стремительное внедрение в информационные сети Волс является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне.

Широкая полоса пропускания - обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 1014Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания - это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.

Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более.

Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с малой ибыточностью кода.

Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.