Современные оптоволоконные кабели

Однако электрические проводники и световоды настолько сильно различаются, что было бы удивительно, если бы электрические и оптические кабели не отличались между собой по конструкции, способам монтажа, прокладки и эксплуатации. Вместе с тем имеется многолетний опыт механической защиты тонких проводников (медные провода толщиной в десятые доли миллиметра используются достаточно широко), который может быть использован для защиты чувствительных стеклянных волокон.

Когда речь идет о различии между световодами и медными проводниками, необходимо назвать основное свойство, которое до сих пор вообще еще не называлось: абсолютная нечувствительность световода по отношению к помехам от электрического и магнитного полей. Здесь можно было бы сказать, что экранирование электрических кабелей для защиты их от внешних электромагнитных помех абсолютно излишне в оптических кабелях.

Основную роль играет, конечно, сам материал - стекло, которое выступает теперь в качестве заменителя ценного цветного металла - меди. Этот материал-заменитель обусловливает большой экономический выигрыш. Запасы меди в мире постоянно истощаются, а цены растут. По некоторым прогнозам еще на исходе столетия месторождения на суше, известные сегодня, будут исчерпаны. Основной материал для стеклянных оптических волокон - кварцевый песок - имеется в больших количествах. В технике связи несколько килограммов меди могут быть заменены 1 г стекла высокой очистки, если за основу принять одинаковую пропускную способность кабеля.

Из этого соотношения следует еще одно преимущество: оптические кабели легче электрических. Это особенно заметно в кабелях с высокой пропускной способностью - из-за малого диаметра световода. Ясно, что оба эти свойства являются, непосредственным преимуществом во многих областях применения.

Наконец, необходимо указать на фактор гальванической развязки передатчика и приемника. В оптической системе они электрически полностью изолированы друг от друга, и многие проблемы, связанные с заземлением и снятием потенциалов, которые до сих пор возникали при соединении электрических кабелей, теряют силу.

Наряду с этими полезными параметрами необходимо конечно, назвать другие, по которым оптические волокна уступают меди и которые должен учитывать конструктор кабелей.

Это, прежде всего чувствительность незащищенного волокна к водяному пару. Это критическое свойство было очень скоро обнаружено, но было также обнаружено и противодействие ему: непосредственное покрытие световода защитной пленкой толщиной несколько микронметров непосредственно в процессе вытягивания волокна.

Эта защитная оболочка, в основном состоящая из полимера, полностью защищает световод. Она повышает также механическую прочность световода и его упругость. Кроме того, обеспечивается постоянство параметров при неблагоприятных окружающих условиях; без защитной оболочки они снижаются уже через несколько часов или дней.

Механический предел прочности при разрыве для волокна довольно высок и соответствует прочности стали. Однако стекло хрупко, изгибы с малым радиусом волокно не выдерживает и ломается. Но и этот недостаток относителен: стекловолокно, снабженное упомянутым тонким защитным слоем, вполне можно обмотать вокруг пальца, а некоторые сорта - даже вокруг тонкого карандаша. Учитывая это типичное свойство стекла, необходимо, конечно, принимать меры защиты в тех случаях, когда несколько световодов объединяются в одном кабеле, который в дальнейшем будет изгибаться и скручиваться. Это случается при намотке на барабан и при укладке. Конструкция кабеля должна быть такой, чтобы устранить механические перегрузки световода. Но опасны не только разрушение волокна, но и микроизгибы. Они возникают, когда светопроводящие волокна лежат на шероховатой поверхности в условиях приложения растягивающей силы, и могут вызывать дополнительные световые потери. Это явление можно наблюдать в демонстрационном опыте, когда к светопроводящему волокну, туго, виток к витку намотанному на барабан, подводится видимый свет, например от He-Ne лазера. Весь барабан при этом излучает яркий красный свет, что указывает на световые потери, вызванные микроизгибами.

Чтобы уменьшить механические нагрузки на волокна, был опробован ряд решений. Отдельные проводники свободно укладываются в поперечном сечении кабеля; в процессе изготовления кабеля следят за тем, чтобы волокна были несколько длиннее, чем кабель.

При колебаниях окружающей температуры от конструкции кабеля существенно зависят механические силы, которые действуют на световод. Единственным слабым местом, кажется, является оболочка волокон со ступенчатым показателем преломления. Ее показатель преломления, который лишь ненамного меньше показателя преломления сердечника, может в неблагоприятных случаях увеличиться при низких температурах, чем будут нарушены условия полного внутреннего отражения и соответственно появятся дополнительные потери на излучение.

3.2 Импульсный режим

Известным примером устройства, работающего в импульсном режиме, является радиолокационная станция. Радиолокационный передатчик посылает через антенну очень короткий высокочастотный импульс. Импульс пробегает пространство со скоростью света, частично отражается от металлического объекта и через определенное время возвращается в радиолокационную станцию. Между тем радиолокационная станция переключается на прием и, получив отраженный импульсный сигнал, вычисляет дальность до объекта, исходя из разницы времени между передачей и приемом импульса. Процесс периодически повторяется, но с относительно большими интервалами, так что в большинстве случаев говорят об одном импульсном сигнале. Даже когда радиолокационная установка посылает 1000 имп/с, интервал между импульсами (1 мс) намного превышает длительность импульса, которая обычно короче 1 мкс.

Тот же принцип применяется в оптической технике связи, а именно для важного случая поиска места повреждения световодного кабеля. Оптический локационный импульс посылается в испытуемый кабель, а в качестве индикатора повреждения используется отраженный свет. Отражения появляются при этом от всех неоднородностей cветовода, особенно там, где световод разрушен. Из разности времен пробега, измеренной на осциллографе, можно вычислить место повреждения кабеля с точностью до 1 м.

Примером передачи непрерывного сигнала является передача по световоду непрерывного телефонного или видео сигнала. Из непрерывного электрического сигнала при этом получается такой же непрерывный световой сигнал, который колеблется между значениями минимальной и максимальной световой мощности (Pmin, Pmax). Электрический ток за счет полупроводникового лазера или светоизлучающего диода образует выходную мощность Р. При этом электрический сигнал может быть биполярным, т. е. может принимать положительные и отрицательные значения (например, речевой сигнал или любое другое переменное напряжение), или однополярным (телевизионный сигнал, выходной сигнал кодового модулятора). Но световой сигнал в обоих случаях однополярный (отрицательная световая мощность невозможна).Свет лазера и светоизлучающего диода окажется, таким образом, промодулированным по интенсивности сигналом, воздействующим на ток диода. Существенным различием между этой непрерывной работой светового источника и импульсным режимом является то, что при импульсной работе средняя световая мощность очень мала по сравнению с пиковой мощностью Pmax. При непрерывной работе (или "в режиме непрерывного излучения") средняя световая мощность составляет примерно половину пиковой мощности, т. е. она того же порядка, что и максимальная мощность.

Здесь необходимо указать на следующее: бинарный сигнал (например, выходной сигнал импульсно-кодового модулятора согласно) едва ли можно назвать импульсной последовательностью с точки зрения обработки сигнала; наоборот, относительно модуляции передатчика его нужно рассматривать как сигнал непрерывного излучения. Его средняя световая мощность равна точно Pmax/2, так как обычно длина и вероятность появления сигналов 0 и 1 одинаковы.

В световодной технике связи двоичный сигнал играет исключительную роль, потому что как светоизлучающие диоды, так и лазеры имеют более или менее нелинейную зависимость мощности от тока. Двоичные сигналы к этому нечувствительны, а непрерывные искажаются из-за нелинейности.

Таким образом, нужно следить за тем, чтобы, как правило, передача сообщений (непрерывными и даже двоичными сигналами) шла только с помощью световых передатчиков, которые пригодны и для непрерывного режима работы.

Первые полупроводниковые лазеры не могли работать в непрерывном режиме, во всяком случае, при комнатной температуре. Причиной этого были большие потери мощности.

Лазерный эффект начинается сразу, как только индуцируемая световая мощность станет больше, чем потери на световом пути в объемном резонаторе. Необходимая для этого плотность тока возбуждения в активном элементе лазера, называемая порогом генерации лазера, ниже порогового тока: лазер еще не генерирует стимулированного излучения. Эта пороговая плотность тока зависит от внутренней структуры полупроводникового лазера в окрестности р-n перехода, особенно от применяемых материалов и концентрации примесей.

В первой и самой простой конструкции, так называемом гомолазере, рекомбинация носителей заряда и генерация света происходили в довольно широкой области вокруг р-n перехода. Поэтому потери на ослабление в объемном резонаторе были очень велики. Для превышения порога генерации должны были протекать значительные токи, которые приводили к сильному нагреву лазерного диода. Такие диоды можно было использовать в лазерах только в импульсном режиме. Существенное уменьшение пороговой плотности тока и потерь мощности было получено в результате введения простой и двойной гетероструктур. С этой целью р-n переход имеет с одной или двух сторон дополнительные слои, в силу чего благодаря свойствам их материала и примесям толщина электрически и оптически активной зоны лазерного диода сильно сужается. Этим ограничивают электрический диапазон возбуждения и одновременно рекомбинацию носителей заряда, и генерацию света. Кроме того, путем изменения показателя преломления в области р-n перехода достигается определенный ход лучей света и в результате этого - уменьшение оптических потерь.

С помощью описанной технологии удалось сконструировать лазеры, которые позволили получить импульсный режим при комнатной температуре.

Используя импульсные токи 40 А, можно при комнатной температуре достигнуть импульсной световой мощности 10 Вт, правда, в предположении хорошего теплоотвода, частоты, большей или равной 10 кГц, и ширины импульса, меньшей или равной 200 нс (коэффициент заполнения 1:500!); р-n переход с одной стороны имеет дополнительный слой GaAlAs.

Простые и двойные гетероструктуры, аналогичные описанным выше, но без объемного резонатора с двумя зеркалами, типичного для лазера, применяются для конструирования светоизлучающих диодов. При этом индуцируемое в результате рекомбинации носителей зарядов световое излучение распространяется во всех направлениях и задерживается в элементе только вследствие различных коэффициентов пропускания слоев или из-за неизбежных контактных поверхностей электродов и поверхностей охлаждения.

В простейшем случае здесь можно использовать и выводить излучение, распространяющееся в плоскости активной зоны. Подобные диоды называются краевыми излучателями. Если устроить в электроде окно, то можно направить излучение перпендикулярно плоскости активной зоны и получить поверхностный излучатель.

Для лазеров связь со световодами обычно сложна, хотя и проще, чем для светоизлучающих диодов. Малые размеры поперечного сечения светового отверстия вызывают там сильную дифракцию выходящего света.

3.3 Защита световодов (кабелей) от коррозии

Для обеспечения устойчивой связи и сохранности оптического волокна разработано множество конструкций оптических кабелей. Можно условно разделить эти конструкции по наличию в кабеле металлических элементов, выполняющих защитные и (или) силовые функции и оптические кабели, выполненные целиком из диэлектрических материалов и рассмотреть поведение этих групп кабелей во время эксплуатации.

Для механической защиты кабелей, прокладываемых непосредственно в грунт, в конструкцию кабелей закладывают металлические элементы, расположенные под защитной оболочкой: стальную ленточную и проволочную броню, центральный силовой элемент, которые в процессе эксплуатации подвергаются коррозии. В разных регионах, в зависимости от климатических условий, типов грунтов, а так же наличия блуждающих токов, скорость коррозии металлических элементов кабелей разная. Электрическая коррозия возникает от прохождения по металлическим оболочкам кабелей блуждающих электрических токов, источниками которых могут быть рельсовые пути трамвайных и электрифицированных железных дорог, установки дистанционного питания и т.п. В электрических цепях трамвая и электрифицированных железных дорог в качестве обратного провода используются рельсовые пути и из-за значительного сопротивления рельсовых стыков, плохой изоляции их от земли, изменения направлений линий (путей) часть тока ответвляется в землю. При совпадении направления тока с проложенными в земле кабелями ток проникает в металлическую оболочку и проходит по ней до места ответвления к источникам (тяговым подстанциям). Место входа блуждающего тока в кабель называется катодной зоной, а место выхода - анодной. В анодной зоне ток уносит в землю мельчайшие частицы металла, разъедая оболочку.

Почвенная коррозия возникает при взаимодействии металла с окружающей средой (грунтом) и представляет собой электрохимическое разрушение металлических сооружений, вызванное действием почвы, грунта, почвенных и грунтовых вод и т.п. Содержание в грунте или почве минеральных солей, органических веществ, газов и влаги определяет их коррозионную активность. С повышением температуры скорость коррозии металла увеличивается.

Обычно для защиты от коррозии, прежде всего от электрокоррозии, прибегают к пассивным методам защиты, используют в конструкциях кабелей оцинкованные проволоки (трос). Для кабелей, проложенных в условиях химически агрессивных грунтов, помимо пассивной защиты (в том числе и протекторной) применяют активную (катодную защиту) металлических элементов кабелей. Даже при наличии правильно построенной системы активной защиты кабеля, процесс коррозии не останавливается, а только растягивается во времени.

При эксплуатации кабеля в условиях нейтральных почв и отсутствия заболачиваемости (песчаные грунты) коррозия металлических элементов под полимерной оболочкой продолжается. В любом полимерном покрытии присутствуют ионы Н+ и ОН -, которые непосредственно участвуют в развивающемся процессе коррозии. Полимерная оболочка не является препятствием для миграции ионов. После разрушения слоя протекторной защиты процесс коррозии ускоряется.

Глинистые, суглинистые, заболоченные почвы наиболее типичны для России имеют, как правило, РН<7, то есть выраженный кислотный характер. Коррозия в таких условиях эксплуатации происходит значительно быстрее. Результат такой эксплуатации полное разрушение металлических элементов кабеля, что делает невозможным любой ремонт при возникновении отказов. Отказы на таких линиях неизбежны, так как продукты коррозии от металлических элементов кабеля, увеличиваясь в объеме, передавливают оптические модули с волокном, что и приводит к росту затухания и потери сигнала.

Коррозии подвержены силовые элементы самонесущих и подвесных кабелей, выполненных из сталей. Прежде всего, это связано с остаточной влажностью полимеров, хоть это и доли процента у полимеров с гидрофобным эффектом, например полиэтилена, но этого достаточно для возникновения очагов коррозии. В виду большой протяженности кабелей связи, по длине в разных направлениях возникает градиент электрического потенциала, что способствует началу очаговой коррозии.

Радикальный выход из этого имеется, это оптические кабели связи без металлических элементов в конструкции, то есть полностью диэлектрические кабели. Помимо стойкости к коррозии, независимо от условий эксплуатации и химической агрессивности окружающей среды, что реально увеличивает срок эксплуатации, они обладают еще целым рядом преимуществ:

Прежде всего, малый удельный вес, который в 4 - 10 раз меньше удельного веса кабелей, защищенных круглой проволочной броней. Небольшой вес позволяет применять при строительстве волоконно-оптических лазерных сетей (ВОЛС) большие строительные длины с меньшими затратами. При укладке в грунт с применением защитных пластиковых труб, возможно инсталлировать строительные дины более 6км, что сокращает количество сращиваний на линии связи и повышает надежность в эксплуатации.

Инсталлированный в защитную полимерную трубу оптический кабель имеет лучшую защищенность. Стойкость к механическому воздействию пучнистых грунтов выше, чем у кабеля со стальной проволочной броней на 20 - 30% (по результатам сравнительных испытаний на ЗАО "Трансвок").

Вмораживание в лед они переносят значительно легче бронированного кабеля.

Кабель, проложенный в полимерной трубе можно, при необходимости, заменить или проложить рядом добавочный кабель без вскрытия грунта на трассе.

Скорость задувки кабеля в проложенные защитные полимерные трубы составляет до 80 м/мин.

Рост цен на Российский металл создал условия для сопоставления итоговой цены на бронированные кабели для грунта и кабели, предназначенные для задувки в защитные полимерные трубы.

На сегодня в мире несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них: AT&T, General Cable Company (США); Siecor (ФРГ); BICC Cable (Великобритания); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония), Pirelli(Италия).

Определяющими параметрами при производстве волоконно-оптические кабели (ВОК) являются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи.

По условиям эксплуатации кабели подразделяют на:

- монтажные

- станционные

- зоновые

- магистральные

Первые два типа кабелей предназначены для прокладки внутри зданий и сооружений. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую строительную длину.

Кабели последних двух типов предназначены для прокладки в колодцах кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти кабели имеют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух километров.

Для обеспечения большой пропускной способности линии связи производятся ВОК, содержащие небольшое число (до 8) одномодовых волокон с малым затуханием, а кабели для распределительных сетей могут содержать до 144 волокон как одномодовых, так и многомодовых, в зависимости от расстояний между сегментами сети.

При изготовлении ВОК в основном используются два подхода:

- конструкции со свободным перемещением элементов

- конструкции с жесткой связью между элементами.

По видам конструкций различают кабели повивной скрутки, пучковой скрутки, кабели с профильным сердечником, а также ленточные кабели. Существуют многочисленные комбинации конструкций ВОК, которые в сочетании большим ассортиментом применяемых материалов позволяют выбрать исполнение кабеля, наилучшим образом удовлетворяющее всем условиям проекта, в том числе - стоимостным.

3.4 Срок службы источников света

Одним из основных параметров оптических элементов передатчика является срок службы. Он ограничивается тем, что после определенного времени работы выходная световая мощность падает и в дальнейшем не выдерживается ее гарантированное для указанного времени значение даже за счет повышения тока в диоде.

Если оптический передатчик, например на узле связи, должен проработать без замены элементов 10 лет, то для него должен быть гарантирован срок службы около 100000 ч (считая продолжительность года равной приблизительно 10000 ч). Для светоизлучающих диодов на GaAs такой срок службы близок к действительному. Хотя для них редко называют гарантийные сроки службы, но обычны значения в несколько лет. К сожалению, для, лазерных диодов подобные сроки службы не достигнуты. Только в 1970г. в лаборатории появился первый работоспособный лазер, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре, и только в течение 70-х годов были разработаны различные структуры и геометрии, приемлемые для конструирования и изготовления лазеров непрерывного излучения, работающих при комнатной температуре.

Понятно, что достоверных данных о сроке службы можно ожидать только после длительных испытаний большого числа готовых элементов. Чтобы уже сегодня получить какие-то суждения, применяют меры к сокращению времени измерений. При этом лазерные диоды заставляют работать в жестких условиях (как правило, при очень высоких температурах, 50-70 градусов Цельсия). На основании этого судят об ожидаемом сроке службы в нормальных условиях. При этих предположениях в конце 70-х годов многими изготовителями предсказывались ожидаемые сроки службы для лазеров 100000 ч, а в отдельных случаях - свыше 1 млн. ч. И хотя эти цифры сегодня еще не проверены, все же существует гарантия наименьшего срока службы 10000 ч, и этим данным можно доверять.

Проблема срока службы лазеров сегодня еще не решена, но существуют оптимистические прогнозы.

Вероятно, через несколько лет можно будет отказаться от привычной в настоящее время оптической отрицательной обратной связи. Она применяется для того, чтобы скомпенсировать возникающее старение, влияние напряжения и температуры на отдаваемую лазером и светоизлучающим диодом световую мощность.

3.5 Какой источник света предпочтительнее?

В качестве источников света лазер и светоизлучающий диод стоят рядом. Ни для одного из них нельзя назвать решающего преимущества: какой из них лучше, в каждом отдельном случае зависит от области применения.

Существенным фактором, конечно, является цена. Для обоих типов источников с годами она будет, естественно падать, но все же светоизлучающий диод в этом отношении имеет преимущество: он дешевле лазера со сравнимыми параметрами при высококачественной работе, столь необходимой для техники связи. Поэтому для систем местной связи, которые требуют относительно малых скоростей передачи (до 2 Мбит/с и ниже), будут всегда применяться светоизлучающие диоды и в основном совместно со световодами с относительно большой апертурой (например, с кварцевыми волокнами в пластмассовой оболочке). Таким образом можно ввести в волокно существенно большую часть излучаемого света.

Типичные параметры полупроводниковых источников света.

Второй важный параметр светопередатчика: ширина полосы модуляции. Светоизлучающие диоды прежде всего "медлительнее" лазеров. В зависимости от конструкции, имеющиеся сегодня в распоряжении типы, как правило, могут быть модулированы частотами 30 - 50 Мгц. Если же необходимо передать быстрые двоичные сигналы со скоростью свыше 30 Мбит/с, то почти всегда применяется лазер ввиду его большой световой мощности. Для него граница модуляции лежит в пределах нескольких сотен мегагерц, а иногда выше 1 ГГц. Хотя светоизлучающий диод еще не достиг границ своих возможностей (в настоящее время уже имеются отдельные типы диодов, модулируемых со скоростью 150 Мбит/с; по прогнозам до 1 Гбит/с), все же лазер имеет преимущество в виде более высокой выходной мощности (см. табл.).Наконец, необходимо принять во внимание, что ширина передаваемой полосы частот ограничивается не только быстродействием самого излучающего диода. Здесь важным фактором являются также дисперсионные свойства световода. Помимо этого необходимо обратить внимание еще на одно свойство излучающего диода: большая ширина спектра излучения светоизлучающего диода в сочетании со световодом может привести к ограничению ширины передаваемой полосы частот. Это свойство может играть существенную роль, когда речь идет о том, чтобы максимально использовать высокую пропускную способность световодов, а уширение импульса из-за дисперсии материала допускать в минимальных пределах.

Страницы: 1, 2, 3, 4