Оптоволоконные системы в телекоммуникациях

Оптоволоконные системы в телекоммуникациях

Лекция 1. Введение. Передача сигнала по оптическому волокну

Требования к полосе пропускания

Оптическое волокно - среда передачи, используемая в современных наземных сетях связи. Оно позволяет передавать огромное количество информации. Если сопоставить его полосу пропускания и емкость канала связи, считая что 1 бит/с соответствует 1 герцу полосы, то можно прийти к выводу, емкость такого канала близка к бесконечности. Фактически, весь используемый радиочастотный спектр (считаем, что он укладывается в полосу 3 кГц - 200 ГГц) может быть передан по одному волокну.

Оптическое волокно хорошо вписывается в схему цифровой передачи. Например, передача по коаксиальному кабелю и паре проводов требует значительно больше повторителей (регенераторов) на условную единицу длины, чем если бы она велась по оптическому волокну. Это соотношение колеблется от 20:1 до 100:1. В результате, накопленный джиттер (дрожание фазы фронтов импульсов) при передаче по оптоволокну значительно меньше, чем при передаче по медным проводам. Это происходит потому, что накопленный систематический джиттер является функцией числа последовательно включенных повторителей.

При современной технологии емкость волокна (эквивалентная битовой скорости) может достигать 10 Гбит/с в расчете на один битовый поток. Используя при этом технологию волнового мультиплексирования можно пропить по одному волокну не менее 80 таких потоков. Простое умножение дает нам цифру эквивалентной емкости 800 Гбит/с. Значит то же умножение 80, но на 40, дает нам цифру эквивалентной емкости 3,2 Тбит/с на одно волокно. Предположим, что волоконно-оптический кабель (ВОК) имеет 24 волокна, из которых 4 резервных. Тогда оставшиеся 20, позволяют организовать 10 симметричных полнодуплексных (двунаправленных) канала. Таким образом, при емкости 3,2 Тбит/с на волокно, получаем общую емкость ВОК в 32 Тбит/с. Эта емкость могла бы удовлетворить на некоторое время предъявляемые в настоящее время требования по емкости канала связи.

При самой сложной технике кодирования (упаковки) и использовании 18 ГГц несущей в полосе 40 МГц можно передать в настоящее время поток в 655 Мбит/с. Если допустить передачу по 10 таких несущих в одну и в другую стороны, то общая транспортная емкость такой системы будет равна 6 Гбит/ с, что составит всего 1/500 емкости, передаваемой по одному ВОК. При этом, конечно, волоконно-оптическая система передачи (ВОСП), использующая современные методы, не использует аналогичную технику упаковки бит.

В таблице 1 приведено сравнение аналогичных рисунку 2 блоков. В ней приведены блоки, последовательно формирующие указанную выше модель. Это сравнение показывает, что во многих отношениях ВОСП не так уж существенно отличается от проводной (медно-жильной) системы или радиосистемы передачи.

Операции в блоках могут быть аналоговыми или цифровыми. Многие кабельные телевизионные системы используют аналоговый формат, со временем, однако, он все больше меняется на цифровой. Другая форму аналоговых приложений - передача радиосигналов в их естественной форме без использования частотной модуляции.

Возвращаясь к рисунку 2, опишем кратко функцию каждого блока на блок-схеме, двигаясь слева направо. Электрооптический преобразователь (ЭОП) преобразует цифровой электрический сигнал в оптический NRZ- или RZ-сигнал или сигнал, использующий манчестерский код. Он также устанавливает требуемый уровень постоянного смещения входных импульсов.

Таблица 1 - Сравнение по методу аналогий

В некоторых местах по ходу изложения этот источник назван передатчиком. Существуют два различных источника света, широко используемых сегодня на практике: светоизлучающий диод - СИД (LED) и лазерный диод - ЛД (LD). Оба источника относятся к устройствам со сравнительно низким уровнем выхода, лежащим в диапазоне от -10 дБм до +6 дБм. Они используют модуляцию по интенсивности, которую мы, при первом знакомстве, будем называть модуляцией типа включено-выключено.

Этот источник соединяется с детектором светового сигнала на удаленном конце через одно из оптических волокон в ВОК (другие волокна используются для других целей, в том числе и для резервирования). Оптические волокна внутри кабеля могут быть как одномодовыми, так и многомодовыми. Физические размеры волокна (диаметр его сердцевины) определяют какого оно типа. Существуют как экономические, так и эксплуатационные соображения, которые могут определять, какой тип волокна нужно использовать для конкретного проекта.

Литература

Осн. 1. [стр. 90-95]

Доп.24. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Что такое оптическое волокно?

) До скольки может достич эквивалентная битовая скорость волокна?

) Перспективность волоконно-оптических линии передачи.

Лекция 2. Структурная схема ВОСП

Разработка световодных систем и их опытная эксплуатации на железнодорожном транспорте началась в начале 80-х годов. В этих системах связи сигналы, несущие информацию, передают по оптическим световодам. Последние представляют собой тонкие нити специальной конструкции, изготовленные из диэлектрического материала, прозрачного для применяемого излучения (кварцевое или многокомпонентное стекло, полимер, некоторые галоидные соединения). Волоконные световоды из особо чистого кварцевого стекла (ОСЧ-кварцевого стекла) называются оптическими волокнами и составляют основу оптических кабелей.

Перспективность волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП) обусловлена большой пропускной способностью волокна, защищенностью от внешних электромагнитных полей, вследствие чего не требуется применять специальные меры по защите от опасных напряжений линий электропередачи и электрифицированных железных дорог; возможность прокладки кабеля между точками с большой разностью потенциалов; высокой помехозащищенностью цифровых линейных трактов; малой металлоемкостью и отсутствием дефицитных цветных металлов (медь, свинец) в кабеле; малым значением коэффициента затухания в широкой полосе частот, что обеспечивает большие длины регенерационных участков по сравнению с электрическими кабелями (10-150 км вместо 2-6 км); небольшими размерами кабеля.

Структурная схема ВОЛП показана на рисунке 1. Для работы одной многоканальной системы связи требуются два оптических волокна (ОВ): по одному передаются сигналы в направлении от А к Б, по другому - в обратном. В оконечных пунктах передающий оптоэлектронный модуль (ПОМ) предназначен для преобразования электрических сигналов в оптические. Приемный оптоэлектронный модуль (ПРОМ) предназначен для преобразования оптических сигналов в электрические.

Рисунок 1 - Структурная схема ВОЛП

Основными элементами приемопередающих модулей являются источник излучения с длиной волны, соответствующей одному из минимумов полных потерь в оптическом волокне, и приемник излучения. Оба модуля содержат электронные схемы для преобразования электрических сигналов и стабилизации режимов работы и разъемные соединители. Линейный тракт содержит оптический кабель (ОК), в который через примерно равные промежутки включены линейные регенераторы, а в случае использования волнового уплотнения оптических волокон - оптические усилители.

Дальность непосредственной связи по ВОЛП, так же, как и длина регенерационного участка, зависит от параметров оптических волокон и энергетических характеристик приемопередающих устройств.

Источник оптического излучения. Основным элементом передающего оптоэлектронного модуля является источник оптического излучения. Работа различных источников оптического излучения основана на инверсной заселенности энергетических уровней. Создание инверсной заселенности уровней называется накачкой.

При переходе атома с более высокого энергетического уровня (Е2) на более низкий (Е1) происходит излучение на частоте ω = (Е2 - E1)·h, где h = 1,05 10-34 Дж·с - постоянная Планка. Переходы с верхнего уровня на нижний могут быть спонтанными (самопроизвольными), что характерно для обычных светоизлучающих диодов (светодиодов), а также спонтанными и вынужденными (суперлюминесцентные светоизлучающие диоды) и только вынужденными (лазеры).

Излучение обычных светодиодов является некогерентным и слабонаправленным, ширина спектра излучения составляет (20-40) нм. Суперлюминесцентные светодиоды имеют более высокую яркость и малую излучающую поверхность по сравнению с обычными светодиодами. Длина волны светового излучения зависит от состава полупроводникового материала.

В качестве направленных источников излучения наибольшее применение получили полупроводниковые инжекционные лазеры. Они легко позволяют осуществить внутреннюю модуляцию оптического излучения по интенсивности. Ширина спектра излучения полупроводникового лазера менее 2 нм.

Выбор источника излучения определяется областью применения системы передачи. Светодиоды используют в системах, предназначенных для работы на сравнительно небольшую дальность (примерно 10 км) и скорость передачи до 200 Мбит/ с. Светодиоды обладают лучшей линейностью характеристик, большим сроком службы, более слабой температурной зависимостью излучаемой мощности, чем лазеры. К недостаткам светодиодов следует отнести малую мощность излучения и невысокий к.п.д. согласования с оптическим волокном.

Лазерные источники излучения применяют преимущественно в системах передачи с большой дальностью и высокой скоростью передачи. Они обеспечивают высокий к.п.д. согласования с оптическим волокном.

Приемник оптических сигналов. Основным элементом приемного оптоэлектронного модуля является приемник оптических сигналов. В качестве приемника используют pin-фотодиоды и лавинные фотодиоды. Известно, что в р-п переходе, на который подано обратное смещение, существует зона, в которой нет свободных носителей заряда (обедненная зона). Поглощение фотона в этой зоне сопровождается возникновением пары носителей зарядов - электрона и дырки, которые под действием постоянного электрического поля, созданного внешним источником напряжения смещения, перемещаются к противоположным зажимам фотоприемника, образуя ток во внешней цепи. Этот ток и является сигналом на выходе фотодиода, его значение пропорционально мощности принимаемого светового излучения.

Когда световая мощность очень мала (нановатты), фототоки также малы (наноамперы), и в этом случае для уменьшения влияния шума (тепловые шумы, квантовые шумы) используют внутреннее усиление в фотоприемнике (лавинный фотодиод) за счет эффекта лавинного умножения носителей заряда. Лавинные фотодиоды усиливают первичный фототок прежде, чем на полезный сигнал накладываются шумы. Однако они требуют более высокого напряжения питания и его стабильности.

Модель волоконно-оптической системы передачи

Рисунок 2 представляет простую модель ВОСП. Не нужно большого воображения, чтобы увидеть, что ВОСП аналогична некой радиосистеме или беспроводной системе передач.

Рисунок 2 - Упрощенная модель ВОСП

ВОК поставляется на катушках (или барабанах), представляющих одну кабельную секцию, которая имеет длину 1, 2, 5 и 10 км. Соединительные оптические разъемы (или коннекторы) используются на концах кабелей (с обоих сторон) для соединения кабеля с указанными источником и детектором. Для длинных линий (ВОСП) может потребоваться несколько таких катушек. Строительные длины соединяются друг с другом путем сращивания. В связи с этим, обычно, рассматриваются два наиболее важных параметра: вносимые потери и возвратные потери. Вносимые потери, вызванные наличием сростка, должны быть меньше 0,1 дБ, тогда как аналогичные потери, вызванные наличием оптического разъема, должны быть меньше 1 дБ. Возвратные потери (или потери на отражение), определяющие уровень согласования импедансов между сростком и кабелем, должны быть не менее 30 дБ.

Приемник, или детектор светового излучения на удаленном конце волоконно-оптической линии, является, по сути, счетчиком фотонов. Большинство ВОСП в настоящее время используют два типа приемников: РIN-диод и лавинный фотодиод (ЛФД). PIN-диод, в целом, проще и менее чувствителен к изменению окружающей среды, так как не имеет внутреннего усиления. ЛФД - более сложен и более чувствителен к изменению окружающей среды, но может обеспечить 10-20 дБ дополнительного усиления. Проектировщик ВОСП выбирает порог приемника, руководствуясь заданным уровнем коэффициента ошибок по битам - BER.

Порог приемника - уровень входной мощности, выраженный отрицательной величиной дБм и зависящий от ряда факторов: типа приемника, в какой-то мере, его конструкции, скорости передачи и, конечно, уровня BER. При проектировании системы нужно стараться, чтобы уровень сигнала на входе приемника не был избыточным. На коротких секциях часто требуется использовать оптический аттенюатор последовательно с приемником, чтобы сместить уровень входного сигнала в желаемый диапазон.

Основной недостаток ВОСП - их незащищенность. Потери при дожде. Широкая полоса используемых частот в радиосистемах и беспроводных системах достигается на частотах выше 10 ГГц, что приводит к уменьшению длины линии передачи, вызванному потерями на поглощение сигнала при дожде; чем выше частота, тем больше ограничений на время доступности (т.е. надежного распространения). Конечно, для проводных систем и ВОСП время доступности от этого не страдает. ЭМС. Этот показатель имеет два аспекта: чувствительность к излучению и генерация излучения. Генерация излучения означает, что система может быть источником электромагнитных помех (RFI). Чувствительность к излучению ясно говорит о незащищенности от электромагнитных помех. Для радиосистем имеет место, как генерация излучения, так и чувствительность к излучению, часто оба явления приводят к проблемам. Проводные системы также чувствительны к электромагнитному излучению. ВОСП - напротив, не излучают и нечувствительны к электромагнитным помехам.

Литература

Осн. 1. [стр. 90-95]

Доп.24. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Структурная схема ВОЛП.

) Источник оптического излучения.

) Ширина спектра излучения полупроводникового лазера.

Лекция 3. Конструкция волоконно-оптического кабеля

Конструкция и классификация оптических волокон

Сердцевина и отражающая оболочка. Оптическое волокно (ОВ) представляет собой нить, состоящую из сердцевины и отражающей оболочки изготовленных из ОСЧ-кварцевого стекла. Еще в процессе вытяжки на него наносится первичное защитное покрытие.

Сердцевина - это область в центре волокна, показатель преломления которой больше, чем у оболочки, и в которой распространяется большая часть энергии светового сигнала.

Оболочка - это область волокна вокруг сердцевины, которая чаще всего изготавливается с постоянным и всегда более низким, чем у сердцевины, показателем преломления. Граница двух областей с более высоким и низким показателями преломления создает световодную структуру, удерживающую большую часть света в зоне сердцевины.

Световодом может быть и более простая конструкция, например, сердцевина из стекла и отражающая оболочка из окружающего воздуха. Подобный световод используется при подсветке струй фонтана, где сердцевиной служит струя воды, а отражающей оболочкой - воздух. Однако световод такой конструкции не может быть использован для передачи сигналов. В нем будут большие потери вследствие загрязнения поверхности стекла пылью и водяным конденсатом, а также световод будет обладать малой пропускной способностью из-за большой величины дисперсии.

Наличие кварцевой отражающей оболочки, имеющей показатель преломления чуть меньше (не более нескольких процентов), чем у сердцевины, приводит к трем последствиям, два из которых положительны:

уменьшает потери световой энергии;

уменьшает дисперсию (уменьшает уширение передаваемых импульсов), и одно отрицательно:

уменьшает долю энергии, захватываемой сердцевиной от светоизлучающих диодов.

Конструкция оптического волокна показана на рисунке 3. С точки зрения передачи сигналов ОВ представляет собой диэлектрический волновод, работающий в оптическом диапазоне волн. Канализация распространения света создается путем скачкообразного или плавного изменения показателя преломления (диэлектрической проницаемости) кварцевого стекла в поперечном сечении волновода. В оптическом диапазоне частот принято употреблять понятие показателя преломления (n) вместо диэлектрической проницаемости, которые количественно связаны между собой соотношением

п =  ,

где εr - относительная диэлектрическая проницаемость. Здесь и далее через п обозначается абсолютный (фазовый, в отличие от группового) показатель преломления равный отношению:

. (1)

Рисунок 3 - Конструкция оптического волокна

Условия распространения светового импульса по оптическим волокнам определяются законом изменения показателя преломления в поперечном сечении сердцевины, величиной разности показателей преломления в центре сердцевины и отражающей оболочки, а также диаметром сердцевины и толщиной отражающей оболочки.

Для сохранения параметров передачи ОВ при их упаковке в кабель, а также в процессе прокладки и эксплуатации кабеля, оптические волокна необходимо защитить от механических воздействий. Для этого, кроме первичного защитного покрытия, используются также защитные оболочки.

Первичное защитное покрытие и защитные оболочки оптических волокон. Первичное покрытие обычно изготавливается двухслойным. Внутренний мягкий слой демпфирует механическую нагрузку, действующую на волокно, и облегчает снятие первичного покрытия. Наружный твердый слой устойчив к абразивным воздействиям. Показатель преломления материала первичного покрытия берется большим, чем у отражающей оболочки для поглощения в ней нежелательных световых волн, распространяющихся по отражающей оболочке.

В оптическом кабеле волокна требуют дополнительных мер защиты от механических воздействий. Это достигается за счет применения защитных оболочек, скрутки оптических волокон и использования в конструкции кабеля специальных упрочняющих элементов.

Волокна с первичным защитным покрытием могут иметь дополнительные защитные оболочки в виде полимерной модульной трубки, в которой волокна лежат свободно (рисунок 4), модульной ленты (рисунок 5) или защитная оболочка наносится непосредственно на первичное покрытие, так называемая оболочка типа плотный (рисунок 4) или усиленный буфер (рисунок 5).

Рисунок 4 - Волокна лежат свободно

Рисунок 5 - Модульные ленты

Модульную трубку, заполненную гелем, с одним оптическим волокном называют одноволоконным оптическим модулем (рисунок 3), а с несколькими волокнами - многоволоконным оптическим модулем. Каждое волокно в модуле и сам модуль имеют цветной код для идентификации.

Рисунок 4 - Плотная оболочка

Рисунок 5 - Усиленный буфер

Вариантом усовершенствования одноволоконного модуля с точки зрения плотности упаковки волокон является ленточная конструкция. Ленточная конструкция позволяет производить одновременную сварку нескольких волокон, что убыстряет процесс монтажа в случае большого числа волокон в ОКС. При ленточной конструкции два или более волоконных световода объединяются в одной плоскости параллельно друг другу с одинаковым шагом в единый многосветоводный модуль. Эти ленточные модули могут быть объединены в стопку с прямоугольным профилем или заключены в пазы профильного сердечника оптического кабеля.

Защитные оболочки типа полимерная модульная трубка или лента применяются в кабелях для наружной прокладки, а типа плотный или усиленный буфер для прокладки внутри помещений.

Литература

Осн. 1. [стр. 90-95]

Доп. 4. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Классификация оптических волоконн.

) Чем определяются условия распространения светового импульса по оптическим волокнам;

) Первичное защитное покрытие и защитные оболочки оптических волоконн.

Лекция 4. Классификация волоконно-оптического кабеля

Типы оптических волокон

Существуют три основных типа оптического волокна (ОВ), отличающихся числом мод и своими физическими свойствами:

· одномодовое волокно;

· многомодовое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления;

· многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломления.

Обратим внимание на то, что внешний диаметр обоих типов волокон (одномодового и многомодового) одинаков и составляет номинально 125 мкм. Однако существует огромная разница в диаметрах сердцевины: 50 мкм для многомодового волокна и 8,6 - 9,5 мкм для одномодового волокна. На практике существуют и другие значения диаметров многомодового волокна, наиболее используемым из них является 62,5 мкм.

На рисунке 6 показана конструкция и профили показателей преломления: ступенчатый (рисунок 6(a)) и градиентный (рисунок 6(б)) для многомодового волокна. Ступенчатый профиль показателя преломления характеризуется резким (в виде ступеньки) изменением показателя преломления (от n1 к n2) на границе раздела, тогда как градиентный - плавным изменением.

Многомодовое волокно со ступенчатым профилем показателя пpeломления является более экономичным по сравнению с градиентным волокном. Для многомодового волокна со ступенчатым профилем показателя преломления коэффициент широкополосности, характеристика, рассмотренная выше, имеет порядок 10-100 МГц·км, при условии, что повторители расположены на расстоянии 10 км, можно передать полосу частот шириной от 1-10 Мгц.

Градиентный профиль показателя преломления делает многомодовое волокно существенно дороже, чем при ступенчатом профиле, однако дает возможность улучшить коэффициент широкополосности. Так, если в качестве источника света используется лазерный диод, то можно довести коэффициент широкополосности до 400-1000 МГц · км. Если же в качестве источника используется СИД, имеющий существенно более широкий спектр излучения, то с тем же градиентным волокном можно рассчитывать на коэффициент широкополосности порядка 300 МГц · км или выше. Принципиальным ограничивающим фактором в этом случае является материальная дисперсия.

Рисунок 6 - Конструкция и профили показателей преломления: ступенчатый (а) и градиентный (б) для многомодового волокна

Профили показателя преломления и характер распространения мод для указанных трех типов ОВ на основе кварцевого стекла.

Одномодовое волокно проектируется так, что в нем может распространяться только одна мода. Благодаря этому V < 2,405. В таком волокне нет модовой дисперсии просто потому, что распространяется только одна мода. Типично, мы можем встретить волокно с показателями преломления n1 = 1,48 и п2 = 1,46. Если бы длина волны оптического источника света была 820 нм, то для осуществления одномодовых режимов работы потребовалось бы волокно 2,6 мкм, что, конечно мало для современных систем.

Распространение различных мод по оптоволокну

Многомодовое волокно, с его относительно большой сердцевиной, допускает распространение по волокну нескольких или многих мод. Некоторые из этих мод могут распространяться в волокне на небольшие расстояния и потом исчезать; другие - могут распространяться на всю длину волокна. Основная проблема возникает тогда, когда эти моды достигают удаленного приемника. Рассмотрим импульс, прошедший по волокну некоторое расстояние. Этот импульс несет в себе световую энергию нескольких мод. Мода самого низкого порядка достигнет приемника быстрее всего. Остальные моды за счет задержки вносят свой вклад позднее. Прибывший импульс, составленный компонентов, распространяющихся дольше, приводит к уширению прибывшего вначале импульса, составленного из моды самого низкого порядка.

Суть проблемы в том, что каждый из этих импульсов, или его отсутствие, представляет двоичные 1 и 0. Пусть наличие импульса соответствует 1, а его отсутствие - 0. И пусть мы передаем последовательность вида 10. Расшитый за счет дисперсии импульс двоичной 1 займет и соседнюю битовую позицию, которая исходно должна быть двоичным 0. Возникает типичная битовая ошибка. Это упрощенное описание показывает вредное влияние дисперсии, взывающей межсимвольную интерференцию.

Характеристики оптического волокна

Оптические характеристики. Как отмечалось ранее, в одномодовом волокне распространяется только одна мода на рабочей длине волны. В этой категории оптического волокна мы имеем следующие типы: стандартное одномодовое волокно, волокно со сдвигом нулевой дисперсии и волокно с малой ненулевой дисперсией. Они зависят от конструкции волокна. При тестировании этих типов волокон, нужно помнить, что источник света (лазерный диод или СИД) не является строго монохроматичным, а его выходное излучение покрывает определенную полосу длин волн. В результате того, что время распространения спектральных компонент различно, происходит уширение импульсов. Степень такого уширения пропорциональна спектральной ширине используемого источника. Близкие к монохроматическим (использующие одну продольную моду) лазерные источники (SLM-лазеры), как правило, это лазеры с распределенной обратной связью, допускают нормальную работу с одномодовым волокном на длинах волн, которые отстоят от длины волны нулевой дисперсии дальше, чем это позволяют делать лазеры, использующие несколько продольных мод (MLM-лазеры).

Механические характеристики. Одним из основных свойств оптического волокна является его прочность. Однако, в процессе изготовления на поверхности волокна появляются микроскопические изъяны, которые заметно ухудшают базовую прочность. Благодаря процессу производства кабеля и укладке волокна в кабель, происходит дальнейшее ухудшение прочности волокна. Ухудшение прочности и обрыв волокна в результате роста изъянов (трещин) на поверхности можно объяснить тремя причинами: динамической усталостью, статической усталостью и старением в отсутствие нагрузки. Многие монтажники ВОК работали раньше на монтаже медных кабелей, которые имеют совершенно отличные механические характеристики. Динамическая усталость возникает при кратковременном приложении значительных растягивающих усилий. Это соответствует типичному сценарию, когда ВОК затягивается на место через кабелепровод или протягивается вдоль направляющих труб/лотков. Статическая усталость, наоборот, приобретается тогда, когда кабель длительное время находится под постоянной нагрузкой. Старение в отсутствие нагрузки относится к такому типу ухудшения прочности, который происходит в условиях отсутствия нагрузки на кабель, но под действием высокой окружающей температуры и влажности.

Литература

Осн. 1. [стр. 90-95]

Доп. 4. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

)Одноловолоконный оптический модуль.

) Типы оптических волоконн.

) Мехмнические характеристики ОВ.

Лекция 5. Распределение света по оптическому волокну

Два подхода к объяснению процесса распространения света в оптических волокнах. Исходя из двойственной природы света, процесс распространения светового излучения в световодах можно изучать, используя методы геометрической оптики (лучевой подход) или волновые уравнения электромагнитного поля (электромагнитный подход). Для расчета электромагнитных процессов в световодах используют ряд математических моделей, отличающихся друг от друга сложностью математического аппарата и наглядностью. Лучевой подход основан на представлении источника излучения и светового луча соответственно в виде точки и линии. Лучевой подход наглядно показывает процессы распространения света по световодам, однако им можно пользоваться только при соблюдении условия малости длины волны по сравнению с радиусом сердцевины волокна. Поэтому лучевой моделью можно пользоваться при изучении распространения света в многомодовых волокнах, где указанное условие соблюдается.

В случае одномодовых волокон требуется электромагнитный подход, т.е. решение волновых уравнений при заданных граничных условиях.

При лучевом подходе распространение света по волокну трактуется как различные траектории лучей. При электромагнитном подходе этим лучам соответствуют различные типы волн (моды). Термин мода представляет собой физическое и математическое понятие, связанное с определенным типом электромагнитной волны. Мода оптического волокна, как физическое понятие характеризует тип волны оптического излучения, распространяющегося по ОВ и характеризующегося определенной структурой поля в его поперечном сечении и определенной фазовой скоростью. С математической точки зрения мода - каждое из решений волновых уравнений. В зависимости от размеров и физических характеристик световода в нем возможно распространение нескольких мод или только одной моды. Электромагнитный подход, как более общий, дает ответы на вопросы, которые невозможно получить в рамках лучевого подхода, например, объяснение природы волноводной дисперсии.

Как фактически распространяется свет по ОВ лучше всего объяснить, используя закономерности геометрической оптики и закон Снеллиуса. Упрощенно можно сказать, что когда свет переходит из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления, преломленный луч отклоняется от нормального. Это, например, происходит тогда, когда луч из воды выходит в воздух, отклоняясь от нормального луча на границе раздела между двумя средами. Чем больше становится угол падения на границу раздела, тем больше отклоняется преломленный луч от нормального луча, до тех пор пока преломленный луч не достигает угла в 90°, по отношению к нормальному, и начинает скользить по поверхности раздела. Рисунок 7 демонстрирует картину при различных углах падения. Рисунок 7(a) показывает такой угол падения, при котором преломленный луч полностью уходит в свободное пространство. Рисунок 7(б) показывает такой угол падения, который называется критическим, когда преломленный луч начинает скользить по границе раздела. Рисунок 7(b) демонстрирует случай полного внутреннего отражения (ПВО). Это происходит тогда, когда угол падения превышает критический. Стеклянное ОВ, используемое для целей передачи света, требует использования полного внутреннего отражения.

Другое свойство ОВ, характерное для определенной длины волны, нормализованная частота V:

, (1)

где а - радиус сердцевины, п2 для ОВ без оболочки = 1, Δ = (п1 - п2)/пr

Рисунок 7- Путь лучей для нескольких углов падения, п1 > п2, где п1 и п2 - показатели преломления двух различных сред

Член в уравнении называется числовой апертурой (NA). В сущности, числовая апертура используется для того, чтобы описать светособирающую способность волокна. Фактически, количество оптической мощности, воспринимаемой ОВ изменяется пропорционально квадрату NА. Интересно заметить, что числовая апертура ОВ не зависит от его физических размеров.

Литература

Осн. 2. [стр. 90-95]

Доп. 2. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Какие два подхода существуют в процессе распространения света в оптических волокнах?

) Лучевой подход.

) Отражение от зеркальной поверхности.

Лекция 6. Лучевой подход распределения света по оптическому волокну

Основная его идея заключается в том, что в оптическом диапазоне частот с достаточно большой точностью распространение волн можно представить как движение энергии волн по лучам, описываемым с помощью геометрических соотношений. Анализ распространения света в лучевом приближении составляет предмет геометрической оптики.

Напомним основные законы геометрической оптики:

1. При отражении от зеркальной поверхности угол падения φi равен углу отражения φr (рисунок 8).

Рисунок 8- Отражение от зеркальной поверхности

2. При распространении луча от одной однородной среды с показателем преломления п1 в другую с показателем преломления п2 на границе раздела сред луч преломляется. Углы падения φi и преломления φs связаны соотношением

sinφi/sinφs = n2/n1 (2).

Если n2<n1 то есть в случае, когда луч выходит из оптически более плотной среды в менее плотную, то из соотношения (3) следует, что φs >> φi. Поэтому увеличивая угол падения φi при φi < 90°, значение которого принято называть предельным углом падения φпр, получим угол преломлениях φs = 90° (преломленный луч скользит вдоль границы раздела сред). При углах падения φi > φпр имеет место полное внутреннее отражение, когда преломленный луч отсутствует и вся энергия сосредоточена в отраженном луче. На этом явлении и основан процесс удержания света внутри волоконного световода.

Модовая дисперсия. Расчетные соотношения для этого вида дисперсии наглядно и просто получаются при лучевом подходе. Уширение импульса, передаваемого по ОВ, за счет модовой дисперсии в этом случае определяется как разность длин пути лучей, распространяющихся по наикратчайшей и наидлиннейшей траекториям. Лучи света, веденные в ОВ со ступенчатым профилем под углом к оси (рисунок 9), из-за многократных внутренних отражений на границе сердцевина-оболочка проходят более длинный путь по сравнению с лучами, распространяющимися вдоль оси ОВ. Наикратчайшим является путь, проходящий вдоль оси волокна и равный длине линии L, а наидлиннейший - L/соsθmax. Имея в виду, что скорость распространения света в сердцевине v1 = c/n и cosθmox = cos(π/2 - φпр) = sin φпр = n2ln1, можно рассчитать уширение τм на выходе волокна. Начало выходного импульса совпадает с приходом луча, имеющего наиболее короткую траекторию tmin = L/v1, а конец - с приходом луча, имеющего наиболее длинную траекторию

.

Рисунок 9 - Лучи света, введенные в ОВ со ступенчатым профилем

Отсюда уширение импульса

 (3)

где (п1 - п2) / п2 = Δn / п2 = Δ.

Волновой анализ распространения света в волокне

Рассмотрим волновые процессы в идеальном оптическом волокне двухслойной конструкции (см.рисунок 8) без потерь.

В цилиндрической системе координат волновые уравнения для продольных составляющих ЕZ и НZ для сердцевины (r<а) имеют вид

; (4)

Рисунок 10 - Волновые процессы в идеальном оптическом волокне

; (5)

, (6)

поскольку в случае диэлектрических материалов ε = , μ=μ0 и в средах без потерь γ2 = - β2 (β - продольный коэффициент распространения волны в оптическом волокне). Фазовая постоянная распространения плоских волн β1 в среде с показателем преломления п1 определяется в случае однородного диэлектрика соотношением

.

где εr1 -относительная диэлектрическая проницаемость сердцевины ОВ; λ - длина волны в вакууме; п1 - коэффициент преломления сердцевины волокна ОВ относительно вакуума или показатель преломления сердечника; с - скорость света в вакууме.

Литература

Осн. 2. [стр. 90-95]

Доп. 2. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Волновой анализ распространения света в волокне.

) Нарисуйте волновые процессы в идельном оптическом волокне.

)Числовая апертура.

Лекция 7. Оптические разъемы светового излучения

Оптические разъемы и неразъемное соединение (сращивание) волокон используются для соединения секций волокна (кабеля). Волоконно-оптический кабель (ВОК) доставляется производителю работ на катушках с намотанным кабелем длиной 1-25 км. Для систем дальней связи, в отличие от сетей в офисе клиента, катушки состоят из сегментов кабеля (строительных длин), которые должны быть соединены вместе для создания рабочей системы. Для этой цели используются либо оптические разъемы, либо сращивание волокон.

Промышленная практика диктует (в хорошем смысле) использование оптических разъемов на обоих концах кабеля и сращивание для промежуточных секций. Причины такой практики в следующем:

- Сростки дают вносимые потери минимально на уровне 0,04 дБ на один сросток, тогда как оптические разъемы имеют большие вносимые потери. Кроме того, сростки обеспечивают определенное постоянство.

Это вынуждает использовать оптические разъемы в тех местах, где мы ожидаем несколько или много соединений/разъединений, например, в коммутационных панелях или соединительных кроссах. Многие оптические разъемы сделаны для осуществления легкого сочленения (соединения/разъединения).

Возможность использования оптических разъемов должно рассматриваться там, где волокно стыкуется либо с пассивным, либо с активным устройством. Если мы хотим заменить устройство, то это значительно удобнее сделать при наличии оптического разъема, чем сростка.

На рынке существует большое количество специализированных оптических разъемов. Волоконно-оптические разъемы доступны в двух типоразмерах: разъемы стандартного размера и миниатюрные оптические разъемы. Существуют оптические разъемы, которые могут соединить как одно, так и несколько волокон.

Одни оптические разъемы могут быть спроектированы для соединений в полевых условиях, другие - для соединения в заводских условиях. К последним типам относятся оптические разъемы для соединительных шнуров (пиг-тейлов). Соединительный шнур - короткий по размеру одноволоконный кабель, присоединяемый обычно к устройствам типа: источник света или детектор светового сигнала. Другой конец такого шнура имеет оптический разъем, устанавливаемый производителем устройства. Если соединение производят в полевых условиях, необходимо предусмотреть ответную часть для такого типа разъема, установив ее на конце соединяемого волокна.

Оставшаяся часть материала главы будет сконцентрирована только на оптических разъемах, устанавливаемых в полевых условиях.

Конструкция оптических разъемов - общий случай

Оптический разъем состоит из трех основных частей:

1. Наконечник - ферул.

2. Соединительная розетка.

3. Стягивающая гайка.

Вид типичного оптического разъема в сборке приведен на рисунке 11.

Обычно оптический разъем состоит из оболочки, внутри которой расположен керамический наконечник (ферул) с прецизионным продольным концентрическим каналом. Оголенный отрезок волокна вставляется в канал наконечника и удерживается резиной или термоплавким клеем. Выступающий конец волокна затем скалывается и полируется заподлицо (плоское зеркальное полирование). Металлическая оболочка выравнивается и соединяется встык с керамическим наконечником мягкой опрессовкой. Наиболее распространенный внешний диаметр наконечника - 2,5 мм, но в оптических разъемах с малым форм-фактором может использоваться наконечник диаметром 1,25 мм.

Рисунок 11 - Основная структура оптического разъема

, по крайней мере, 40 дБ. Другой важный параметр - число сочленений. Оно относится к числу соединений/разъединений, начиная с которого характеристики разъема станут ухудшаться. Это число, как показывает опыт, колеблется от 200 до 600 сочленений.

Оптический разъем типа ST. Этот тип разъема использует быстро сочленяемое байонетное соединение, которое требует повернуть разъем только на четверть оборота для осуществления соединения/разъединения. Встроенный ключ обеспечивает хорошую повторяемость параметров соединения, потому что разъем будет всегда одинаково сочленен с соединительной втулкой. Разъем типа ST в настоящее время заменяется на более прогрессивный разъем типа SC. Уровень вносимых потерь разъема типа ST составляет 0,5 дБ.

Оптический разъем типа SC. Этот тип разъема широко используется как для одномодового, так и для многомодового волокна. Сокращение SC расшифровывается как «оптический разъем пользователя». Оно пришло из используемых ранее пользовательских приложений.

Разъем SC относится к классу разъемов общего пользования и применяется как в сетях с большой длиной секций, так и в сетях с внутриобъектовой прокладкой. Он использует «пушпульный» механизм сочленения. Разъем SC базового типа состоит из сборки (вилки), содержащей наконечник. Эта сборка вставляется в оболочку разъема, центрирующую наконечник. Одно из преимуществ разъема типа SC в том, что он может объединяться в секцию, состоящую из нескольких разъемов. В этом случае секция может использоваться для дуплексного соединения (одно волокно которого используется для передачи в прямом, а другое в обратном направлениях). Разъем имеет ключ, для предотвращения неправильного соединения. Вносимые потери такого разъема составляют 0,4 дБ и ниже.

Оптический разъем типа FC. Этот тип разъема был первоначально разработан в Японии компанией Nippon Telegraph and Telephone Company. Он широко используется для одномодового волокна и имеет уровень вносимых потерь порядка 0,4 дБ.

Разъем типа FC имеет средства для настройки. Ключ настройки позволяет подстроить уровень вносимых потерь до нескольких десятых дБ. После того, как позиция минимальных потерь найдена, ключ может быть зафиксирован. Разъем типа FC выпускается как для одномодового, так и для многомодового волокон.

Оптический разъем типа D4. Этот тип разъема особенно широко используется для одномодового волокна. Он во многих отношениях похож на разъем FC, но имеет наконечник меньшего диаметра - 2,0 мм. Вносимые потери разъема D4 составляют около 0,4 дБ.

Оптический разъем типа 568SC. Этот тип разъема обычно используется для внутриобъектовой прокладки. Его параметры соответствуют стандарту EIA/TIA-568, регламентирующему прокладку кабельных линий связи в коммерческих зданиях. По сути он представляет собой дуплексный вариант разъема типа SC. Разъем типа 568SC имеет механизм защелки, который позволяет осуществить сочленение легче, чем байонетный разъем типа SC. Кроме того, этот разъем имеет адаптер, который допускает использование как симплексного, так и дуплексного разъемов для организации симплексного или дуплексного соединений. Ожидаемый уровень вносимых потерь разъема 568SC составляет порядка 0,3 дБ.

Оптический разъем типа FDDI. Этот тип разъема в принципе спроектирован как двухканальное устройство, использует два керамических наконечника и механизм боковых защелок. Прочный кожух защищает наконечники от случайных повреждений, тогда как плавающий стык обеспечивает ему плотное сочленение без усилий. Различные типы ключей могут быть использованы в этом типе разъема, для того чтобы удовлетворить различным требованиям технологии FDDI. Ожидаемый уровень вносимых потерь составляет порядка 0,3 дБ для одномодовых приложений и порядка 0,5 дБ для многомодовых приложений. Разъемы типа FDDI могут использоваться и для других приложений. Напомним, что FDDI - технология локальных сетей, используемая для пакетной передачи данных со скоростью 100 Мбит/с (125 Мбод) в соответствии со стандартом ANSI.

Миниатюрные разъемы. Миниатюрные разъемы, называемые также разъемами с малым форм-фактором, имеют размеры примерно в два раза меньшие, чем их обычные стандартные варианты (например, SC, FC, ST), т.е. диаметр наконечника составляет 1,25 мм, а не 2,5 мм, что позволяет реализовать большую плотность упаковки на коммутационной панели и плотную схему упаковки на стойке.

Механическое соединение - небольшой участок механически соединенного оптоволокна - сросток длиной 6 см и диаметром 1 см. Этот сросток осуществлен путем точного выравнивания двух концов волокон и их надежного постоянного механического соединения. Сросток закреплен с помощью быстросхватывающего покрытия или клеевой обвязки, или с использованием того и другого. Механические сростки допустимы как для организации постоянного, так и временного соединения. Вносимые потери за счет механического соединения обычно выше, чем сварного соединения, и имеют порядок 0,1 - 0,8 дБ.

Литература

Осн. 2. [стр. 90-95]

Доп. 2. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Какие разъемы используются для соединения секций волокна.

) Какие бывают волоконно-оптические разъемы?

) Что такое соединительный шнур?

Лекция 8. Оптические источники света и детекторы светового излучения

Выравнивание волокна. Существуют блоки ручного и автоматического выравнивания волокна при сварке. Сначала оператор помещает очищенные и сколотые волокна в блоки выравнивания и/или другие механизмы фиксации волокна в устройстве сращивания. После этого волокна выравниваются визуально путем перемещения их в направлении координат X-Y. Визуальное выравнивание требует поддержания минимального возможного зазора между волокнами, чтобы уменьшить видимые ошибки, которые возможны при ручном выравнивании краев волокон, проводимом при увеличении.

Многие устройства сращивания используют систему локального ввода и обнаружения светового излучения (LID). Это еще одна система выравнивания по уровню мощности, но сформированная на месте сварки. Она исключает необходимость удаленного (на определенное расстояние) мониторинга уровня мощности. В этой системе волокна, расположенные по обе стороны от точки сварки, загибаются вокруг цилиндрических оправок, которые достаточно малы, чтобы позволить осуществить ввод (в точка входа) и вывод (в точке выхода) светового излучения через оболочку волокон.

Процедура сварки. Процесс сварки использует электрическую дугу для разогрева и сваривания. Некоторые техники используют один или несколько коротких включений тока дуги для того, чтобы удалить любые возможные загрязнения из волокна в месте сварки перед началом сварки.

Следующим шагом является предварительная сварка. Этот процесс состоит в нагревании волокна для размягчения его соединяемых концов. Предварительная сварка осуществляется для того, чтобы концы волокна были при температуре, оптимальной в процессе последнего шага сварки, что дает возможность материалу волокон течь навстречу друг друга вплоть до момента физического контакта. Если температура на стадии предварительной сварки слишком велика, то может возникнуть излишняя деформация концов волокон, что в свою очередь приведет к изменению геометрии стекла. Если же эта температура слишком мала, то может возникнуть механическая деформация концов волокон. В этом случае может произойти выпучивание волокна в тот момент, когда на последней стадии сварки на концы волокон будут действовать силы, стягивающие их.

Оптимальная подготовка к сращиванию включает установку тока дуги и ее длительности, установку длины зазора и перекрытия шагов предварительной и окончательной сварки. Эти установки должны быть определены (экспериментально) на основании результатов последовательности сварок.

Качество сварки включает два основных параметра, как это отмечалось выше, а именно: прочность волокна на растяжение и потери, вносимые в месте сварки. Некоторые устройства сращивания имеют возможность осуществлять тесты на растяжение. Опытные техники знают, как осуществить такое испытание вручную, чтобы простыми средствами оценить прочна на растяжение.

Лазерные диоды

Если системные требования не так строги, то в качестве источника света обычно выбирается СИД. Лазерные диоды обычно используются для линий связи большой длины или при большой скорости передачи (выше 155 Мбит/с). Существует несколько типов ЛД (все моды, рассмотренные ниже, продольные - LM):

- многомодовые (MLM) или с резонаторами Фабри-Перо;

одномодовые (SLM);

- одномодовые с распределенной обратной связью (DFB), часто называемые DFB-лазерами;

DFB-лазеры с внешним модулятором;

лазеры с вертикальной резонаторной полостью и излучающей поверхностью (VCSEL).

Частотно-модулированный импульс (чирп)

ЧМ импульс, или чирп, может ограничить характеристики систем передачи на длине волны 1550 нм даже при использовании DFB-лазеров с большим (порядка 40 дБ) значением MSR (коэффициента подавления моды). Как уже отмечалось раньше, модуляция интенсивности (непосредственная модуляция) в полупроводниковых лазерах неизбежно сопровождается фазовой модуляцией (вызванной изменением, за счет индуцируемых носителей, показателя преломления), управляющей коэффициентом уширения спектральной линии. Оптические импульсы со сдвигом фазы, зависящим от времени, называются чирп-импульсами. В результате такого частотного чирпа, наложенного на оптический импульс, его спектр существенно уширяется. Это спектральное уширение влияет на форму импульса в волокне, учитывая дисперсию волокна, и приводит к ухудшению показателя BER в системе.

В системах передачи исключительно важным параметром является время нарастания импульса. Оно определяет предел максимальной скорость передачи. Установление порогового уровня для системы также влияет на ее характеристики. Он должен быть установлен как можно ниже, но так, чтобы не нарушить условия генерации лазера. Это влияет на коэффициент ослабления сигнала, который должен быть максимально большим. Этот коэффициент представляет собой отношение максимальной амплитуды импульса к пороговому уровню.

Оптические приемники

PIN-диод или APD размещены на этом рисунке слева. Большую часть приемника составляют электрические схемы.

Показаны различные компоненты оптоволоконного приемника, где фотодиод (PIN-диод или APD) - только один из них. Предусилитель - другой ключевой элемент, который определяет характеристики приемника в целом. Выход сигнала, принятого фотодиодом, - это точка, где сигнал самый слабый и наиболее подвержен искажениям от действия шума. Этот сигнал является входным для предусилителя. Роль предусилителя - усилить сигнал для дальнейшей его обработки.

Литература

Осн. 2. [стр. 90-95]

Доп. 2. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Из каких основных частей состоит оптический разъем?

) Основная структура оптического разъема.

) Оптические приемники.

Лекция 9. Ухудшение передачи света

При передаче импульсных сигналов по оптическому волокну их амплитуда уменьшается и искажается форма (они уширяются). Ограничение дальности связи по оптическим кабелям, также как и по металлическим кабелям, обуславливается затуханием и ограничением полосы частот (F) (дисперсией) передаваемого импульсного сигнала (рисунок 12). Затухание приводит к уменьшению амплитуды передаваемого сигнала на выходе оптического волокна, а дисперсия приводит к уширению (размыванию) импульсных сигналов. Зависимость затухания и дисперсии от электрических параметров среды можно получить, рассматривая распространение в ней плоских волн.

Рисунок 12 - Влияние затухания и полосы пропускания световода на форму импульсов:

а - нет потерь и бесконечно большая полоса пропускания; б - имеются потери и ограничена полоса частот

Затухание световых сигналов

Затухание сигналов. Одним из факторов, ограничивающих дальность оптической связи, является затухание сигналов. Кварцевое стекло хотя и незначительно, но загрязнено, а также имеет добавки для изменения показателя преломления сердцевины или оболочки ОВ, что вызывает потери мощности сигнала на поглощение и рассеяние. Германий и фосфор увеличивают показатель преломления кварцевого стекла, а бор и фтор - наоборот уменьшают его.

Процесс рассеяния сводится к генерации вторичных волн молекулами или частицами под действием падающего на них излучения. Если линейные размеры частицы меньше, чем примерно 1/15 длины волны, то рассеяние называется рэлеевским. Эффект рэлеевского рассеяния проявляется в том, что при распространении световых лучей в волокне они отклоняются от лучевого направления (в однородной среде от прямолинейного направления). При этом угол падения луча на границу сердцевина-оболочка может стать меньше угла полного внутреннего отражения, и луч выйдет из волокна. По аналогичной причине часть лучей может начать распространяться в обратном направлении. Интенсивность рэлеевского рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Поэтому при передаче световых сигналов предпочтительно использовать более длинные волны в районе 1,55 мкм.

Микроизгибом волокна называется изгиб оптического волокна, который влечет за собой смещение волокна порядка нескольких микрон относительно его оси, обусловленное различием боковых давлений на волокно по его длине Он может быть вызван механическими деформациями при изготовлении кабеля и его прокладки, а также изменениями геометрических размеров материалов кабеля вследствие изменений температуры окружающей среды в процессе эксплуатации. Для уменьшения потерь, обусловленных микроизгибом, необходимо не допускать усилий, случайно прикладываемых к волокну вдоль его оси при изготовлении кабеля, а также во время и после прокладки кабеля.

Макроизгиб волокна является результирующим искривлением оптического волокна после изготовления и прокладки кабеля. Макроизгиб может вызвать увеличение оптических потерь. Оптические потери увеличиваются с уменьшением радиуса изгиба. При правильной прокладке кабеля его затухание будет несколько меньше по сравнению со значением измеренным на барабане, за счет меньших макроизгибов.

В реальных ОВ из-за большого числа случайных причин, приводящих к резкому возрастанию потерь, основным методом определения затухания является его измерение. На заводах измеряют затухание всех ОВ на заданной длине волны и данные измерений заносят в паспорт.

Дисперсия импульсных световых сигналов

Влияние дисперсии сказывается в уширении светового импульса при его передачи по оптоволокну. Различают четыре типа дисперсии, каждый из которых вызван теми или иными причинами:

1.   Межмодовая дисперсия.

Свет, распространяющийся по многомодовому волокну представлен многими траекториями лучей, путь каждой из которых в сердцевине волокна отличается друг от друга. Возвращаясь к прошлым лекциям, получим число мод, распространяющихся по волокну:

=V2/2,                                                                       (7)

где V- нормализованная частота. Если V= 2,405 или меньше, то распространяется только одна мода, если же V больше, то распространяются много мод. Эффект уширения светового импульса при его распространении на какое-то расстояние, а также то негативное влияние, которое это оказывает на форму последовательности NRZ импульсов. Этот тип искажений можно устранить путем использования одномодового волокна, где V < 2,405.

2.   Материальная дисперсия.

Материальная дисперсия (DМ) вызвана тем, что различные длины волн проходят через определенные материалы с различными скоростями. Известно соотношение, определяющее показатель преломления (n):

п = c/v,                                                                       (8)

где с - скорость света в вакууме, a v - скорость исследуемой волны в данном материале. Конечно, интересующим нас материалом является кварцевое стекло (Si02). Проблема в том, что каждая волна распространяется в данном материале со скоростями, несколько отличающимися друг от друга.

3.   Хроматическая дисперсия (во многих текстах материальная и хроматическая дисперсии на разделяются).

Хроматическая дисперсия является неким расширением понятия материальная дисперсия. Когда мы имеем дело с дисперсией, влияющей на xapaктеристики при высокой скорости передачи (например, > 1 Гбит/с), битовый период, а следовательно, битовый интервал, настолько мал, что даже при использовании DFB-лазера с его очень узкой спектральной линией, наблюдается эта форма материальной дисперсии.

4.   Поляризационная модовая дисперсия (PMD).

В одномодовом волокне единственной присутствующей модой является Н11. Однако, если учитывать поляризацию, то в одномодовом волокне присутствуют две моды. Эти две моды предполагаются нами взаимно ортогональными, а поляризация - линейной. Одна из этих мод является доминантной и распространяется в горизонтальной плоскости вдоль оси х, другая распространяется в вертикальной плоскости вдоль оси у. В некоторых публикациях говорят о быстрой оси и медленной оси распространения. Эта идеальная ситуация могла бы соответствовать идеальному волокну с точной геометрией.

Литература

Осн.3. [стр. 90-95]

Доп. 3. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

1) Влияние затухания и полосы пропускания световода на форму импульсов.

) Что такое микроизгиб?

) Что такое макроизгиб?

Лекция 9. Потери и ослабление сигнала в оптическом волокне

Существуют четыре причины потерь в оптоволокне:

1.   Собственные внутренние потери.

Собственное внутреннее поглощение материала является потерями, вызванными только чистым кремнием, тогда как внешние потери - это потери, вызванные наличием примесей в оптоволокне. В каждом конкретном материале, благодаря его молекулярной структуре, существует поглощение сигнала определенных длин волн. В случае двуокиси кремния (Si02) существуют электронные резонансы в ультрафиолетовой области для длин волн λ < 0,4 мкм. Существуют также колебательные резонансы в инфракрасной области, где λ > 7 мкм. Расплавленная двуокись кремния (стекло), которая является материалом оптического волновода, по своей природе аморфна. Поэтому эти резонансы существуют в форме полос поглощения, хвосты которых простираются в область видимого спектра. Во втором и третьем окнах прозрачности этот тип поглощения вносит вклад на уровне не более чем 0,03 дБ/км. Производители оптоволокна не могут влиять на эту составляющую поглощения, разве что перейти на другой материал для передачи светового сигнала.

2.   Потери, вызванные примесями (иногда называемые внешними потерями).

Внешние потери поглощения привнесены примесями оптоволокна. Современные технологии производства уменьшили вклад от этих потерь до очень низкого уровня. В эту группу потерь вносят вклад следующие примеси: железо, медь, никель, магний и хром, которые создают существенные источники поглощения в интересующих нас окнах прозрачности. В современном процессе производства содержимое этих металлов было снижено до величин меньше одной миллиардной части, и, следовательно, они вносят очень малый вклад в общие внешние потери поглощения. В отличие от них, потери за счет наличия остаточных гидроксильных ионов (ОН) создают линию поглощения 2730 нм, ее гармоники и комбинационные составляющие 1390, 1240 и 950 нм, все они вносят существенный вклад в общие внешние потери поглощения. Эти потери вызваны наличием воды в волокне, оставшейся в процессе производства. Уровень ионов ОН в оптоволокне должен быть снижен до величин меньших одной стомиллионной части, для того чтобы поддерживать потери волокна на надлежащем уровне. Даже такая малая концентрация ОН, как одна миллионная, способна вызвать потери 50 дБ в районе «водяного пика» - 1390 нм.

3.   Рассеяние Рэлея.

Этот тип потерь является внутренним и вызван флуктуациями мгновенной плотности и вариациями концентрации молекул за счет несовершенства внутренней структуры волокна: воздушных пузырьков, неоднородностей и трещин, или несовершенством направляющего волновода, вызванным обшей нерегулярностью системы сердцевина-оболочка. Существует точка на кривой поглощения в районе 1550 нм, где поглощение инфракрасных и ультрафиолетовых хвостов минимальны. Вокруг этой точки рэлеевское рассеяние является главной составляющей общих потерь. Рэлеевское рассеяние обратно пропорционально длине волны. С ростом длины волны рассеяние убывает. На длинах волн выше 1600 нм инфракрасное поглощение становится доминирующим.

4.   Потери, вызванные несовершенством оптоволокна.

Несовершенство волокна - еще один источник потерь. Это потери включают потери от микроизгибов и макроизгибов. Геометрия волокна - еще одно важное понятие, описывающее несовершенство и требующее рассмотрения.

Геометрия стекла описывает концевые размерные характеристики оптического волокна. Геометрия (и это уже давно поняли) является главным фактором, определяющим потери в сростке и процент удачно выполненных сростков. Главная цель производителя оптоволокна получить более точную геометрию волокна. Волокно, полученное с соблюдением более жестких допусков на его геометрию, легче и быстрее срастить и при этом быть уверенным в высоком качестве сростка и предсказуемости полученных характеристик.

Три параметра (как показала практика) оказывают наибольшее влияние на характеристики сростка: концентричность сечений сердцевины и оболочки, допуск на диаметр оболочки и собственный изгиб волокна.

Концентричность сердцевины и оболочки дает понять насколько хорошо сердцевина волокна центрируется в стекле оболочки. Улучшение этой характеристики при производстве волокна уменьшает шанс неточного расположения сердцевины, что способствует получению сростков с меньшими потерями.

Внешний диаметр оболочки определяет размер волокна. Чем более жесткой является спецификация диаметра оболочки, тем меньше шансов, что партии волокна будут иметь различные диаметры. Допуск на диаметр оболочки особенно важен, когда используются калиброванные наконечники или осуществляется сочленение разъемных соединителей в полевых условиях. Все эти соединители рассчитаны по диаметру оболочки в месте выравнивания волокон для соединения.

Собственный изгиб волокна указывает на величину кривизны волокна вдоль некоторой длины волокна. Большая величина собственного изгиба может привести к слишком большому смещению волокна при сварке или выравнивании конца волокна в V-образной канавке, что может привести к сросткам с большими потерями.

Литература

Осн.3. [стр. 90-95]

Доп. 3. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Как определяется дисперсия импульсных световых сигналов.

) Как понять хроматическую дисперсию?

) Потери и ослабление в оптическом волокне.

Лекция 11. Выбор оптических фильтров по поляризационным свойствам

волоконный оптический кабель сигнал

В цифровых системах принципиальное влияние PMD заключается в том, что она вызывает межсимвольные искажения (ISI). Примерная оценка этого явления - ухудшение показателей системы примерно на 1 дБ происходит при полной дисперсии примерно 0,4 Т, где Т - один битовый период. Это приемлемое значение для максимально допустимого ухудшения качества системы. Хотя и нет окончательного решения, но текущий уровень исследований указывает, что оптические волокна и кабели будут оцениваться средним уровнем поляризационной модовой дисперсии - ПМД, обзор одноканальных и многоканальных систем также называет, что и они будут оцениваться аналогичным средним показателем. Это соответствует величине средней дифференциальной групповой задержки, равной одной десятой битового периода, 0,1 Т. Компьютерное моделирование показывает, что если ПМД имеет максвелловское распределение средним значением не выше 0,1 Т, то с вероятностью меньшей, чем 10-9, ухудшение показателей системы не превысит 1 дБ.

Потери, обусловленные поляризацией (PDL), возникают благодаря дихроизму пассивных оптических элементов, таких как изоляторы, разветвители и т.д., расположенных на пути сигнала. Когда сигнал проходит через дихроичный элемент, составляющая его электрического поля, параллельная оси потерь, ослабляется. Как и в случае ПМД, те оси, которые определяют PDL, ориентированы случайно по отношению друг к другу.

Проанализируем конфигурацию типичной системы, для того чтобы идентифицировать, а затем и управлять PDL. В системе с усилителями, один из режимов управления усилителем - работа при постоянной мощности сигнала. PDL влияет как на сигнал, так и на шум. Однако, учитывая, что шум не подвергается поляризации, воздействие PDL на сигнал и шум будет различным. Шум может быть разложен на составляющую, параллельную сигналу, и составляющую, ортогональную ему. Можно показать, что объединенное действие PDL и оптического усиления сводится к тому, чтобы усилить составляющую шума, ортогональную сигналу. Более того, амплитуда ортогональной составляющей шума изменяется во времени аналогично тому, как поляризация сигнала изменяется под действием ПМД. Это приводит к уменьшению отношения сигнал/шум и величины Q на входе приемника. В дополнению к этому, флуктуации сигнала во времени приводят к явлению фединга отношения сигнал/шум и величины Q на входе приемника. Обе причины ведут к ухудшению показателей системы.

Поляризационный провал усиления (РНВ) является результатом анизотропного насыщения, созданного поляризованным сигналом насыщения, вводимым в эрбиево волокно. Это приводит к снижению населенности возбужденных состояний, ориентированных поляризованным полем. Следовательно, допустимое усиление в ортогональном направлении выше. Хотя эрбиевы ионы распределены случайно в матрице стекла, на микроскопическом уровне диполь, ассоциируемый с эрбиевым ионом, является анизотропным. РНВ-эффект максимален там, где линейно поляризованный насыщенный сигнал ориентирован в направлении главной оси диполя, и уменьшается там, где состояние поляризации насыщенного сигнала - эллиптическое или круговое. Как сигнальный лазер, так и лазер накачки, вносят свой вклад в этот общий эффект. Полное дифференциальное усиление является векторной суммой двух этих вкладов. Степень провала усиления пропорциональна степени поляризации насыщенного сигнала. Для неполяризованного насыщенного сигнала не существует провала усиления. В принципе, это похоже на случай сигнала с круговой поляризацией.

Общее дифференциальное усиление, благодаря действию РНВ, изменяется с изменением состояния поляризации сигнала (благодаря ПМД) вдоль цепочки усилителей. Оно меняется, так как эффект провала усиления сигнала коррелирован с эффектом накачки. Амплитуда дифференциального усиления изменяется в соответствии с изменением относительных состояний поляризации сигнального лазера и лазера накачки. Поэтому, хотя общий шум изменяется нелинейно при движении по цепочке усилителей, он при этом еще и флуктуирует во времени. Следовательно, как мы уже объясняли выше, отношение сигнал/шум уменьшается и флуктуирует во времени. Добротность системы Q также при этом ухудшается и флуктуирует во времени.

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

)Что такое поляризационное свойство?

) Потери, обусловленные поляризацией.

) Поляризационный провал усиления.

Лекция 12. Выбор оптических фильтров по другим характеристикам

Другие типы ухудшений системы передачи

. Накопленный шум, связанный с оптическим усилением

При наличии каскадного соединения ряда ОУ, расположенных вдоль ВОЛС, шум ASE, генерируемый в ОУ, повторяет цикл ослабления и усиления аналогично тому, как это происходит с информационным сигналом. Учитывая, что входящий шум ASE усиливается каждым ОУ, и то, что он добавляется к шуму, который генерируется этим конкретным ОУ, можно предположить, что общая мощность шума ASE увеличивается почти пропорционально числу ОУ, а мощность сигнала уменьшается на эту же величину. В рекомендации указано, что мощность шума может превысить мощность сигнала.

Накопление шума ASE можно уменьшить путем уменьшения расстояния между усилителями, если поддерживать, в то же время, общее усиление равным общим потерям на тракте передачи, так как шум накапливается экспоненциально в зависимости от усиления усилителя (которое при этом снижается). Существуют две технологии фильтрации, которые могут уменьшит шум ASE:

1.   Фильтры шума ASE.

2.   Эффект, или метод, самофильтрации.

Метод самофильтрации используется тогда, когда применяется 10 или
больше ОУ последовательно. В этом методе проектировщик системы настраивает системную длину волны на длину волны самофильтрации так, что происходит снижение шума ASE на входе детектора. Это похоже на использование узкополосного фильтра. Рекомендация сообщает, что этот метод очень эффективен для снижения начального шума ASE, если используется на укороченных пролетах и для ОУ с малым усилением.

Не рекомендуется использовать метод самофильтрации на сетях WDM с топологией замкнутого кольца при использовании ОУ. Принципиальная причина этого в том, что возникает результирующий пик усиления в спектре усиления ОУ, который может оказать значительное влияние на показатели системы. В этом случае рекомендуется использовать фильтры ASE, минимизирующие шум ASE. Это достигается путем фильтрации каналов WDN не предназначенных для использования на данном узле сети.

Если в тандемном соединении используется только несколько усилителей, то метод самофильтрации менее эффективен, чем метод фильтров ASE. Этот последний метод является более гибким в плане выбора рабочих дли волн, с ним легче обеспечить уровень однородности каналов в система WDM. В рекомендации советуют тщательно выбирать характеристик фильтра. Следует отметить, что полоса пропускания каскада фильтров уже, чем полоса одного фильтра, если только она не является прямоугольной, одноканальных системах большой дальности могут быть использованы обычные фильтры, имеющие полосу пропускания на уровне половины максимума порядка 3 нм.

2. Эффект самофильтрации

Существует характеристический профиль спектра усиления (или спектр ASE шума) в результате накопления шума ASE благодаря каскаду ОУ. Этот спектр имеет пик и спектральная ширина этого пика уменьшается с ростом числа ОУ, пока этот процесс не достигнет насыщения при определенном числе усилителей. Это может привести к формированию спектральной линии шириной 2-3 нм при использовании нескольких десятков ОУ. Этот эффект и носит названия самофильтрации.

Характерные параметры одномодового ОВ

В тексте мы уже упоминали 4 типа специального одномодового волокна:

1.   Обычное одномодовое волокно.

2.   Волокно со сдвигом нулевой дисперсии (DSF).

3.   Волокно с ненулевой смещенной дисперсией (NZ-DSF).

4.   Волокно с уплощенной/выровненной дисперсией (DFF).

Различают два типа дисперсии в одномодовом волокне:

1.   Материальная дисперсия (DM), вызванная зависимостью показателя преломления от длины волны.

2.   Волноводная дисперсия (DW), являющаяся результатом зависимости от длины волны распределения света фундаментальной моды в сердцевине и оболочке, и вследствие этого разницы показателей преломления.

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Какие есть типы ухудшений системы передачи?

) Когда применяется метод самофильтрации?

) Эффект самофильтрации.

Лекция 13. Характеристики передачи

Коэффициент затухания. Интуитивно понятно, что ослабление электрических (оптических) сигналов после прохождения вдоль направляющей системы можно оценить отношением мощности сигнала на входе и выходе направляющей системы. Чем это отношение больше, тем ослабление меньше.

Однако в любой направляющей системе, независимо от ее вида, например, оптическое волокно или витая пара, потери при распространении электромагнитной энергии вдоль направляющей системы принято оценивать не просто отношением мощности синусоидального сигнала на ее входе к мощности на выходе, а десятичным логарифмом этого отношения, которое принято называть затуханием. Это объясняется тем, что тракт передачи оптических сигналов состоит не только из волокна, но может содержать коннекторы, механические соединители и другие компоненты, вносящие потери в тракт передачи. Введение понятия затухания позволяет определить суммарные потери в тракте как сумму потерь отдельных его элементов. Затухание в цепях связи принято указывать в зависимости от частоты колебаний, в оптических же волокнах - в зависимости от длины волны, которая однозначно определяется через частоту колебаний, как отношение скорости распространения волны к частоте.

Затухание (а), дБ, оптического волокна длиной L рассчитывается по формуле:

 (9)

где Ро - мощность света, направляемых мод, введенная в начале волокна; Рl - мощность света, оставшаяся в волокне на расстоянии L от его начала.

Качество волокна с точки зрения величины потерь передаваемой нему энергии принято оценивать коэффициентом затухания α, т.е. величиной затухания волокна на длине в 1 км, которое может быть определено из выражения:

, (10)

где а - затухание оптического волокна длиной L, дБ; L - длина оптического волокна, км.

Таким образом, коэффициентом затухания оптического волокна, называется величина, характеризующая уменьшение мощности оптического излучения при его прохождении по ОВ, выраженная в дБ, отнесенная к длине оптического волокна. Максимальное значение коэффициента затухания оптических волокон в оптическом кабеле называется коэффициентом затухания оптического кабеля.

Полоса пропускания и хроматическая дисперсия. Дисперсионные характеристики многомодовых волокон принято оценивать полосой пропускания и дополнительно, при необходимости коэффициентом хроматической дисперсии, а одномодовых волокон - коэффициентом хроматической и поляризационной модовой дисперсии. Ширина полосы пропускания оптического волокна определяется по его передаточной функции, а именно как интервал частот, в котором величина передаточной функции G(f) уменьшается вдвое по сравнению с величиной при нулевой частоте. Передаточная функция определяется как отношение при любой частоте между амплитудой синусоидальной модуляции оптической мощности на входе волокна и амплитудой синусоидальной модуляции оптической мощности на выходе волокна. С увеличением частоты модуляции передаточная функция уменьшается, это происходит за счет переноса оптической мощности из боковых полос частот к несущей частоте, суммарная же оптическая мощность при этом остается неизменной.

Многомодовые волокна направляют сотни мод и каждая имеет свои собственные потери, скорость и длину волны нулевой дисперсии.

Существует оптимальный параметр формы профиля gорt,, при котором теоретически достигается наибольшая полоса пропускания для определенной длины волны. В результате полоса пропускания волокна может быть оптимизирована только на одной длине волны, названной пиковой длиной волны волокна λр. При использовании длины волны отличной от λр полоса пропускания многомодового волокна будет уменьшаться.

Расположение пиковой длины волны волокна может изменяться при помощи изменения параметра формы профиля gорt и здесь имеется различие между волокнами первого и второго окна. Высококачественные волокна первого окна имеют пиковую длину волны 850 нм, тогда как волокна второго окна - 1300 нм. Двухоконные волокна представляют собой компромисс между этими двумя типами и имеют пиковую длину волны около 1100 нм. Хотя этот компромисс обеспечивает приемлемую полосу пропускания в первом и втором окнах одновременно, широкополосность при λ = 850 и 1300 нм никогда не будет выше той, которая может быть достигнута в однооконных волокнах хорошего качества.

Хроматическая дисперсия. Под хроматической дисперсией понимается расширение светового импульса в оптическом волокне из-за различия групповой скорости распространения разных длин волн, которые составляют спектр источника излучения. Хроматическая дисперсия в расчете на единицу ширины спектра источника и единицу длины волокна называется коэффициентом хроматической дисперсии и выражается в пс/нм-км.

Основная полоса частот многомодового волокна. Основная полоса частот (F) учитывает совместное влияние как модовых искажений, так и хроматической дисперсии. Она может быть рассчитана по формуле:

, (11)

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Коэффициент затухания.

) Как рассчитывается затухание оптического волокна?

) Полоса пропускания и хроматическая дисперсия.

Лекция 14. Характеристики оптических волокон

Для увеличения длины регенерационного участка одним из необходимых условий является уменьшение величины затухания смонтированной волоконно-оптической линии. Так как коэффициент затухания выпускаемых в настоящее время одномодовых волокон близок к теоретическому минимуму, то основное внимание производители волокна уделяют уменьшению отклонений геометрических характеристик волокна от их номинальных значений: диаметра и некруглости сердцевины и отражающей оболочки, эксцентриситет сердцевины и оболочки.

Указанные геометрические характеристики оптического волокна (в соответствии с обозначениями на рисунке 13) могут быть определены следующим образом

;       (12)

; (13)

; (14)

; (15)

, (16)

где: d, D - диаметр соответственно сердцевины и отражающей оболочки; d0, D0 - диаметр соответственно сердцевины и отражающей оболочки при отсутствии некруглости; е, Е - некруглость соответственно сердцевины и отражающей оболочки; с - эксцентриситет;  х - неконцентричность сердцевины и оболочки.

Рисунок 13 - Геометрические соотношения в оптическом волокне: а - идеальное волокно; б - реальное волокно

Ужесточение допусков на геометрические характеристики позволяет значительно уменьшить затухание на стыке волокон при их соединении сваркой или с применением механических соединителей.

В таблице 7.1 приведены требования к допускам на геометрические характеристики одномодовых волокон ведущих производителей оптического волокна.

Таблица 7.1 - Требования к допускам на геометрические характеристики

Из данных таблицы 7.1 видно, что ведущие производители оптического волокна применяют в два раза более жесткие допуски на геометрические характеристики по сравнению с рекомендациями сектора стандартизации Международного союза электросвязи.

Цена оптического волокна на мировом рынке при определенном профиле сердцевины зависит от двух основных факторов: величины допусков на геометрические характеристики оптических волокон и стабильности геометрических размеров по длине волокна, а также от числа непрерывно контролируемых характеристик оптического волокна в процессе производства.

Механическая прочность и срок службы оптических волокон

Теоретическая и реальная прочность оптического волокна на разрыв. Для кварцевых оптических волокон принято рассматривать теоретическую и реальную прочность на разрыв. Теоретическая прочность составляет около 20 ГПа. Однако реальная прочность кварцевых волокон в несколько раз меньше теоретической, для лучших образцов кварцевых волокон она не превышает 5 ГПа. Прочность реально изготовленного волокна снижается из-за наличия поверхностных объемных дефектов в заготовках и готовом волокне, а также из-за воздействия внутренних напряжений, возникающих в волокне в процессе вытяжки из заготовок. Неоднородности материалов в стекле или дефекты поверхности стекла создают механически ослабленные места вдоль оптического волокна. О механической прочности оптического волокна можно говорить лишь с определенной степенью вероятности, поскольку местоположения нерегулярностей и их величины имеют случайный характер.

Испытание оптического волокна на прочность и расчет вероятности разрушения волокна. Проверка волокна на прочность и его отбраковка осуществляются путем перемотки волокна через систему роликов с заданной величиной натяжения, которая устанавливается исходя из расчетного срока службы кабеля.

Международный союз электросвязи рекомендует испытывать оптические волокна на механическую прочность при следующих условиях:

· напряжение растяжением не менее 0,35 ГПа (что приблизительно соответствует деформации ~ 0,5%);

· номинальная длительность испытания составляет 1 с.

Так как после прохождения испытаний волокна на прочность гарантирован определенный наибольший размер трещины, то может быть рассчитан его минимальный срок службы. Для выполнения расчетов должны быть известны следующие три величины:

· напряжение растяжения (относительное удлинение) при заводских испытаниях волокна на прочность;

· напряжение растяжения, приложенное к волокну в процессе срока службы;

· коэффициент устойчивости оптических волокон к статической коррозии.

Чем при большей величине силы растяжения (относительного удлинения) выполнено испытание волокна на прочность, тем больше срок службы оптического волокна в кабеле при прочих равных условиях.

Чем большая итоговая сила растяжения приложена к волокну в процессе эксплуатации кабеля, тем меньше срок службы кабеля. Итоговое напряжение растяжения зависит от остаточной деформации волокна. Причиной остаточной деформации волокна может быть растяжение, скручивание и изгибание, которые возникают при изготовлении, прокладке и эксплуатации кабеля. Остаточная деформация волокна сокращает срок его службы вследствие ускоренного роста трещин из-за присутствия загрязняющих веществ в окружающей среде. Кроме того, остаточная деформация снижает допустимый уровень динамической деформации, которую может выдержать волокно до его разрыва. Наименьшие итоговые остаточные напряжения растяжения в зависимости от способа прокладки оптического кабеля имеют место при прокладке кабеля в трубопроводах методом вдувания, а наибольшие напряжения растяжения в процессе эксплуатации может испытывать самонесущий подвесной кабель при воздействии гололедной и ветровой нагрузки, а также в случае ослабления по той или иной причине упрочняющих элементов при прокладке или эксплуатации.

Динамическая деформация волокна также уменьшает срок службы волокна. Она может возникать при ударах и толчках во время прокладки а также в течение срока эксплуатации самонесущих кабелей. Динамическая деформация возникает при самопроизвольной вибрации самонесущего кабеля, а также при воздушных вводах кабеля за счет падения гололеда с выше расположенных проводов и падения глыб льда с крыш. Для защиты оптического кабеля на вводах необходимо предусмотреть подвеску металлического троса выше ОКС. Динамическая деформация, наряду со статической деформацией, вызывает ускоренный рост трещин, а при превышении определенного значения может произойти разрыв оптического волокна. Поэтому в процессе прокладки, монтажа и эксплуатации оптического кабеля его нельзя подвергать воздействию ударных нагрузок.

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Какая пиковая длина высококачественного волокна первого окна?

) Хроматическая дисперсия.

) Какие есть требования к допуская на геометрические характеристики?

Лекция 15. Регенераторы

Волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) начали широко использоваться в 1980-х. Каждое волокно передавало один поток импульсов, представляющих двоичные 1 и 0. Модель такой системы в 1980-х могла бы включать источник света, подключенный к нему волоконно-оптический кабель, детектор света, удаленный на какое-то расстояние. Максимальное расстояние между источником и детектором зависело от уровня выходной мощно-лазерного источника, потерь в оптических разъемах, в сростках, в волокне, а также от скорости передачи и чувствительности детектора света, и нужно было увеличить длину линии связи, то устанавливали регенератора. Следуя этой методике, можно было бы обеспечить связь по всему континенту. Более того, емкость этой системы связи могла составлять сотни мегабит в секунду. Эта полная емкость могла бы передаваться по одному окну в одном направлении; для обеспечения полнодуплексной связи можно было бы использовать другое волокно, для передачи в противоположном направлении. При увеличении емкости в такой системе регенераторные секции становились короче и короче. Число активных элементов в эй схеме формирования системы заметно ухудшало доступность системы в целом. Кроме этого также возрастал уровень джиттера. Регенератор в то время был не более чем приемником света, выход которого замыкался непосредственно на вход передатчика.

Применение регенераторов в оптических системах

Регенератор принимает искаженный оптический сигнал на свой вход и преобразует его в почти идеальную копию сигнала, похожую на ту, какая была передана предыдущим передатчиком. Этот регенерированный сигнал практически свободен от искажений. Функция регенерации выполняется полностью цифровым передатчиком и приемником. Устройство, которое мы будем рассматривать здесь - автономный регенератор. Оптические усилители не регенерируют цифровой оптический сигнал. На рисунке 8.1 показана блок-схема цифрового оптического регенератора.

Системные инженеры ВОСП используют методы расчета линии на основе бюджета мощности для определения местоположения регенератора. Это такая точка, где накопленные потери линии приводят к существенному ухудшению показателей системы.

Вернемся к рисунку 14 и проанализируем его слева направо. Вход регенератора представляет собой оптический сигнал, искаженный и ослабленный за счет накопленной дисперсии и потерь в секции, которую он прошел. Оптические импульсы, которые представляют двоичные 1, преобразуются в электрические 1, а битовые позиции, где такой импульс отсутствует или он очень мал, преобразуются в электрические двоичные 0. Этот электрический сигнал передается через электрическую схему приемника, где осуществляется восстановление сигнала тактовой синхронизации. Окончательное решение о том, что существует в той или иной битовой позиции 1 или 0, определяется в процессе демодуляции оптического сигнала. В современных системах все эти функции выполняются в интегрированном PIN-приемнике.

Двоичный сигнал передается в блок терминирования транспортной функции SONET. Здесь получают доступ к транспортному заголовку SONET, что позволяет передать центру управления сетевых операций статус регенератора и качество битового потока.

Рисунок 14 - Упрощенная блок-схема цифрового оптического регенератора

Электрический сигнал блока терминирования транспортной функции SONET передается затем лазерному передатчику, который генерирует эквивалентные оптические импульсы, инициируемые потоком бит. Уровень оптической мощности лазерного передатчика, передаваемый в отходящее волокно, лежит в диапазоне от 0 до +3 дБм. Однако, если инженер-проектировщик волоконно-оптической линии связи хочет удлинить пролет/секцию (расстояние между соседними регенераторами, между регенератором и мультиплексором ввода-вывода или между регенератором и оптическим терминалом), он может разместить оптический усилитель на выходе регенератора, где сигнал может быть усилен на 20-25 дБ.

Регенератор имеет два преимущества, которых не имеет усилитель. Усилитель не регенерирует цифровой сигнал, тогда как регенератор делает это. Преимущество здесь состоит в том, что на вход усилителя подается сигнал, в котором аккумулированы все формы искажений. Этот же цифровой сигнал, содержащий те же самые плюс добавленные усилителем шумы и искажения, выходит из усилителя. В противоположность этому, регенератор устраняет большинство искажений и ухудшений цифрового сигнала и подает на выход прямоугольную последовательность двоичных импульсов. Второе преимущество регенератора состоит в том, что он имеет доступ к заголовку поля ОА&М (управления, эксплуатации и технического обслуживания) в SONET или SDH для обеспечения статуса регенератора и битового потока, проходящего через него. Этот статус сообщается в сетевой центр управления, ответственный за данную сеть. Это обеспечивает сетевому оператору прекрасную возможность для мониторинга и технического обслуживания. Усилитель же не имеет такого легкого доступа к битовому потоку, так как он не занимается демодуляцией-ремодуляцией двоичного потока, в отличие от регенератора.

Удаленные регенераторы питаются с помощью одного из следующих методов:

. Они могут питаться от пары проводов, протянутой от основной системы питания ближайшего мультиплексора или терминала.

. Они могут использовать локальное питание от местной энергокомпании. Они должны иметь источники бесперебойного питания или питаться локально от солнечных батарей, небольших газотурбинных установок, ветроустановок с батарейными резервными источниками.

Удаленные ОУ должны получать питание аналогичным способом.

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Какие регенераторы используются в оптических системах?

) Нарисуйте упрощенную блок-схему цифрового оптического регенератора.

) Какие преимущества имеет регенератор?

Лекция 16. Волоконно-оптические усилители

Существуют три основных типа оптического усилителя (ОУ), которые были разработаны для использования в ВОСП: усилители на лазерных диодах, усилители на легированном волокне и романовские усилители. В настоящее время ОУ на легированном волокне доминируют на рынке. Для легирования используется элемент эрбий, а сами ОУ называются усилителем на волокне, легированном эрбием (EDFA). Конкурирующие с ними ОУ на лазерных диодах до сих пор уступали им дороговизной производства, чувствительностью к поляризации и высоким уровнем перекрестных помех.

На рисунке 15 показана упрощенная блок-схема усилителя типа EDFA. Она содержит лишь один активный блок - блок накачки. Накачка использует обычно лазерный источник света, похожий на то, что используется в передатчике. Для промышленных усилителей EDFA используются источники накачки 980 или 1480 нм.

Конфигурация, приведенная на рисунке 8.2, является элементарным мультиплексором с разделением по длине волны, где разветвитель играет роль комбайнера/мультиплексора, т.е. просто объединяет световой сигнал накачки с рабочим оптическим сигналом. Эти два сигнала проходят через активную область (волокно), где и происходит фактическое усиление сигнала. Активная область состоит из специально приготовленного оптического волокна, которое в определенной степени легировано эрбием, редкоземельным элементом. В ОУ типа EDFA с наиболее простой схемой необходимое усиление обеспечивается в относительно узкой полосе длин волн от 1525 до 1565 нм. Однако то, что мы называем узкой полосой длин волн, обеспечивает достаточное пространство для размещения многих WDM каналов.

Одно из преимуществ такого ОУ над регенератором в том, что в многоканальной системе WDM на каждый канал требуется отдельный регенератор, тогда как на всю систему WDM требуется только один усилитель. Пусть, например, система WDM имеет 16 каналов. Тогда для этой конфигурации требуется 16 регенераторов и всего один ОУ. Более того, ОУ прозрачен по отношению к проходящему потоку бит, тогда как регенератор рассчитан на определенную скорость потока. При большой длине системы (например, больше 700 км) требуется использовать по крайней мере один регенератор для того, чтобы ослабить действие дисперсии и восстановить форму сигнала

Рисунок 15 - Упрощенная схема усилителя на волокне легированном эрбием

Усилители на лазерных диодах. Существуют три типа усилителей на лазерных диодах: с блокировкой инжекции, типа Фабри-Перо и типа бегущей волны (TW). Первые два типа отличаются порогом генерации лазера. У оптических усилителей с лазерным диодом и блокировкой инжекции обычный лазерный диод смещен выше порога генерации лазера и работает как усилитель. Усилитель типа Фабри-Перо - усилитель с лазерным диодом, который смещен ниже порога генерации лазера. Усилитель бегущей волны (УБВ) - полупроводниковый усилитель, ограничивающие поверхности которого покрыты антиотражающим покрытием. В последнее время УБВ стал доминировать в этой группе усилителей, учитывая его прекрасные характеристики и прогресс, достигнутый в области антиотражающих покрытий. В отличие от ОУ на легированном волокне, усилители на лазерных диодах могут быть спроектированы так, чтобы хорошо работать на любой длине волны, где могут работать лазеры (т.е. передатчики).

Максимальное усиление усилителя на лазерном диоде при инжекционном токе 80 мА составляет 19 дБ, а ширина полосы на уровне -3 дБ - примерно 50 нм. Достаточно широкая полоса пропускания - одно из преимуществ полупроводниковых лазерных усилителей. Можно ожидать и более широкий спектр усиления при использовании лазеров с множественными квантовыми (потенциальными) ямами (MQW), благодаря их своеобразной структуре энергетических зон. Уровень шума этих усилителей порядка 5-7 дБ.

Существуют три различных способа размещения волоконно-оптических усилителей (ВОУ), как показано на рисунке 16 На рисунке 16(a) показано их использование в режиме линейного усилителя. В этом случае усилители устанавливаются в стратегических точках вдоль волоконно-оптического тракта для усиления сигнала до такого уровня, чтобы он соответствовал желаемому диапазону чувствительности удаленного мультиплексора ввода-вывода или оконечного приемника.

Рисунок 16 - Три различных варианта использования волоконно-оптических усилителей: (а) линейный усилитель; (б) мощный усилитель (бустер) (в) предусилитель

На рисунке 16(б) показан мощный усилитель (бустер). При обычной конфигурации его помещают сразу за оптическим передатчиком, для увеличения мощности сигнала до уровня +15 - +20 дБм. Такие уровни сигнала необходимы либо для большой длины пролета, либо тогда, когда используется большое число пассивных элементов с существенным уровнем вносимых потерь, как например, в системах WDM.

На рисунке 16(в) показан ВОУ, используемый в качестве предусилителя. В этом случае ВОУ помещается на удаленном конце тракта, непосредственно перед удаленным приемником. В большинстве случаев в такой конфигурации усилитель интегрируется с приемником. В этом случае ВОУ понижает уровень чувствительности приемника. Усилитель получает сигнал низкого уровня, прошедший долгий путь или через ряд элементов с большим уровнем потерь, и повышает его до уровня, приемлемого для приемника.

Усилители на лазерных диодах могут использоваться во всех трех вариантах, показанных на рисунке. Они могут работать в диапазоне длин волн 1310 нм, где усилители типа EDFA имеют неудовлетворительные характеристики. Известно, что усилители EDFA специально предназначены для диапазона длин волн 1550 нм.

Когда ОУ на лазерных диодах используется в качестве предусилителя (рисунке 8.3(b)), результирующий уровень сигнала, подаваемый на оптический приемник, оказывается таким большим, что характеристики приемника ограничиваются не столько уровнем теплового шума, сколько уровнем дробового шума. Эти предусилители ухудшают отношение сигнал/шум также за счет шума спонтанного излучения. Относительно высокий коэффициент шума (порядка 5-7 дБ) типового усилителя на лазерных диодах делает их не очень идеальными для использования в качестве предусилителя. Но даже в этом случае, они могут значительно улучшить чувствительность приемника.

Если усилитель на лазерном диоде используется в качестве мощного усилителя (бустера, рисунке 8.3(б)), его выходная мощность ограничена, обычно на уровне < 10 мВт. Это объясняется его относительно малой (примерно 5 мВт) выходной мощностью насыщения.

Полупроводниковые ОУ (ПОУ) имеют ряд недостатков, которые делают непрактичным их использование в качестве линейного усилителя. Среди этих недостатков можно отметить: чувствительность к поляризации, переходные помехи между каналами (чувствительные для систем WDM), большие потери при вводе в волокно. В усилителях EDFA таких проблем нет, но они, как мы уже отмечали, могут быть использованы только в окне прозрачности 1550 нм.

Критические рабочие параметры усилителей типа EDFA

Выходная характеристика усилителя EDFA на основе кварцевого волокна изменяется в зависимости от длины волны в полосы усиления. То же можно сказать и про усиление такого усилителя. Усиление также зависит от мощности и состояния поляризации входного сигнала. Оно будет также меняться в зависимости от относительной входной мощности каждого канала WDM/DWDM. Следовательно, влияние временного распределения входной мощности, как правило, в моменты ввода нового или вывода существующего каналов, должно как-то характеризоваться и управляться в рамках используемых многоканальных применений. Усиление ОУ типа EDFA может быть вычислено по заданной средней входной мощности Рin и средней выходной мощности Роut. Заметим, что в приведенном ниже выражении мощности даны по отношению к определенной длине волны рассматриваемого сигнала.

, (17)

где Раsе - уровень мощности усиленного спонтанного излучения.

Заметим, что составляющая мощности ASE вычитается при вычислении усиления GdВ в выражении (8.1).

Усиление оптического усилителя существенно зависит от уровня входного сигнала. Интересно заметить, что усилитель демонстрирует большое усиление для слабых входных сигналов. Например, усиление больше 30 дБ можно ожидать для входных сигналов меньше чем -20 дБм. Таким образом, нелинейность амплитудной характеристики - важный параметр для больших уровней сигнала.

Для того, чтобы охарактеризовать усиление EDFA, необходимо включить в тест определение малосигнального усиления, полосу на уровне -3 дБ и выходную мощность насыщения. Эти три параметра могут изменяться с длиной волны входного сигнала. Критическими являются следующие параметры усилителя EDFA, определенные ниже:

Профиль - термин, используемый для описания зависимости от длины волны той или иной характеристики. Усиление шума выражается в дБ по отношению к одной волне, а профиль усиления шума это усиление конкретного усилителя в зависимости от изменения длины волны.

Равномерность усиления - максимальная разность усиления в отдельных каналах на выходе усилителя при условии, что мощности сигнала на всех входах одинаковы.

Усиление сигнала - принципиальный показатель, который определяет рабочую точку усилителя. Усиление шума, с другой стороны, является усилением, относящимся к малому сигналу, который даже будучи усилен не влияет на рабочую точку, тогда как последующий большой сигнал приводит усилитель в насыщение.

Перекрестное насыщение усиления - изменение усиления конкретного канала, когда входной уровень другого канала (или нескольких каналов) изменяется на некоторую величину.

Рамановские усилители

«Рамановское усиление возникает тогда, когда фотоны накачки высокой энергии (коротких длин волн) рассеивают колебательные моды матричной решетки материала (оптические фононы) и когерентно добавляют их к сигнальным фотонам низкой энергии (больших длин волн)». При практической реализации этот процесс носит название передача с помощью эффекта Романа (D-RAT); свет накачки вводится в волоконный линейный усилитель со стороны, противоположной вводу сигнала. В этой конфигурации рамановский усилитель работает как малошумящий предусилитель. Основное преимущество низкоуровневого рамановского усиления в том, что он не вносит дополнительных нелинейностей в волокно.

При проектировании ВОСП оптоволоконный пролет переносит сформированный (многоволновой) сигнал WDM; комбинация распределенного рамановского усилителя и усилителя EDFA в тандемном соединении дает прекрасные результаты и позволяет уменьшить нарастание ASE.

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Какие типы существуют оптического усилителя?

) Уилители на лазерных диодах.

) Существуют какие способы размещения волоконно-оптических усилителей?

Лекция 17. Мультиплексирование с разделением по длине волны

Возрастание требований на пропускную способность ВОСП

Если оценивать рост требований на емкость/скорость передачи, показывающей, что емкость ВОСП возрастает в 4 раза каждые 18 месяцев. Из всех средств, имеющихся в нашем распоряжении, только оптоволокно удовлетворяет этим потребностям роста. Существует два пути удовлетворить этим требованиям:

1.   Установить новый кабель с большим числом волокон или использовать имеющиеся темные волокна.

2.   Применить технологию мультиплексирования с разделением по длине на уже имеющемся волокне или на новом проложенном волокне.

На рисунке 17 разветвитель играет роль оптического комбайнера. Для простоты разветвитель (из комбайнера) мог бы быть пассивным сплиттером при использовании, например, биконического сплавного с отводами разветвителя в обратном направлении (замене входов на выходы). Сплиттер, приведенный на правой стороне рисунке 17, мог бы быть тем же самым устройством, использованном в обратном направлении. Оба порта этого сплиттера содержат сигналы λ1 и λ2.

Рисунок 17 - Концептуальная блок-схема двухволновой системы WDM. На начальном этапе эти две волны соответствовали: λ1 = 1310 нм и λ2 = 1550 нм

Фильтры, на основе технологии тонких пленок, блокируют передачу энергии нежелательного спектра сигнала и позволяют пропустить энергию желаемого спектра сигнала.

Паpa мультиплексор-демультиплексор является основой для системы WDM. Как показано на рисунке 17, мультиплексор может быть просто комбайнером - устройством объединения нескольких несущих длин волн. Демультиплексор напротив, выполняя обратную операцию, может быть совсем другим. Он должен выделять отдельные длины волн из агрегированного потока. Следовательно, демультиплексор требует использования механизма селекции длин волн. Эти механизмы делятся на две широкие категории: демультиплексоры на основе дифракции и демультиплексоры на основе интерференции.

Интерферометр Фабри-Перо

Интерферометр Фабри-Перо (Ф-П) является устройством интерференционного типа, основанным на многократном отражении светового луча от двух поверхностей тонких пластин. Его принцип действия показан на рисунке 17. Существует интерференционный максимум для каждой длины волны, который математически выражается так:

тλ= 2d cos α,                                                               (18)

где т - целое число, a d - расстояние между пластинами.

Интерферометр использует многократные отражения между двумя близко расположенными частично посеребренными поверхностями. Часть света проходит, а часть отражается каждый раз, когда свет достигает второй поверхности, образуя в результате много смещенных лучей, которые могут интерферировать друг с другом. Большое количество интерферирующих лучей создает интерферометр с исключительно высоким разрешением. Это чем-то напоминает множество щелей (шлицев) дифракционной решетки, которое увеличивает ее разрешение.

Фильтры Маха-Цендера

Интерферометр Маха-Цендера (М-Ц) можно сделать путем соединения двух выходных портов 3-дБ разветвителя к двум входным портам другого 3-дБ разветвителя. Первый разветвитель расщепляет оптический сигнал на два равных потока, где каждый поток приобретает различные фазы (когда длины ветвей разветвителя оказываются различными до того, как во втором разветвителе произойдет интерференция одного расщепленного сигнала с другим).

Относительная фаза зависит от длины волны и коэффициента пропускания Т(v), который тоже зависит от длины волны. Он может быть вычисли по формуле:

(v) = cos2(πυτт),                                                        (19)

где τт - относительная задержка между двумя ветвями интерферометра М-Ц, а υ - частота. Цепочка каскадов таких интерферометров М-Ц с определенным образом настроенными задержками работает как оптический фильтр, который может быть настроен путем небольшой подстройки длин ветвей.

Фильтры на тонких пленках

Тонкопленочные фильтры используют многослойные покрытия диэлектрических фильтров. Когда многоволновой сигнал падает на поверхность фильтра, то каждый слой фильтра вынуждает различные длины волн падающего сигнала отразиться или пройти через него, в зависимости от длины волны и конструкции фильтра. Каждая длина волны, таким образом, вносит конструктивный или деструктивный вклад в проходящий сигнал. Соответствующие длины волн такого сигнала или исчезали, или сохранялись, проходя до самого выхода. Такие фильтры, обычно, имеют большое число слоев, так, что их характеристиками пропускания можно достаточно жестко управлять. Это позволяет передавать (пропускать) относительно узкую полосу длин волн, или даже, одну длину волны.

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Какие пути существуют удовлетворить требования на пропускную способность ВОСП?

) К каким типам устройства относится Интерферометр Фабри-Перо?

) Фильтры Маха-Цендера

Лекция 18. Дифракционная решетка на массиве волноводов

Дифракционная решетка на массиве волноводов (AWG) является интегрированным подходом к проблеме демультиплексирования. Решетка состоит из фазированного массива оптических волноводов, работающих собственно как дифракционная решетка. Этот тип решетки можно изготовить, используя технологию InGaAsP/InP, позволяющую интегрировать такие типы направляющих волноводов с передатчиком или приемником WDM. Иллюстрацией AWG является рисунке 18. Как показано на рисунке, входящий WDM сигнал разветвляется в массив планарных волноводов, после прохождения через секцию (звездообразного) разветвителя. При прохождении волны в каждом отдельном волноводе, она имеет на выходе определенный и отличный от других фазовый сдвиг, ввиду различной длины сдельных волноводов. Учитывая частотную зависимость постоянной распространения моды, фазовый сдвиг оказывается зависимым от длины волны. В результате, различные каналы фокусируются на различные пространственные пятна, когда выход волноводов дифрагирует через другую секцию разветвителя. Как можно видеть, AWG работает как обычная дифракционная решетка. Его эффективность при надлежащем проектировании может достигать 100%. Используя эту технологию, можно изготовить ряд элементов системы WDM, например, маршрутизатор на волноводной решетке.

Рисунок 18 - Принципиальная схема маршрутизатора на волноводной решетке

Прямая и обратная операции интерливинга

Устройство интерливинга разделяет каналы, которые подлежат мультиплексированию, на группы: нечетные и четные для конфигурации интерливинга 1×2. В этом простейшем случае устройство интерливинга объединяет два набора каналов в один плотно упакованный набор, имеющий шаг упаковки в два раза меньше исходного. В противоположность этому, устройство деинтерливинга разделяет единый входной набор каналов и направляет разделенные потоки в два выходных потока, имеющих удвоенный шаг между каналами по сравнению с исходным. Устройства интерливинга можно каскадировать, формируя двоичное дерево. Например, устройство деинтерливинга с конфигурацией 1×4, берет набор каналов DWDM с шагом 50 ГГц, разделяет и направляет их по 4 выходным волокнам с шагом между каналами 200 ГГц. Устройства интерливинга позволяют достичь такого шага между каналами, какого мы не смогли бы достичь другими путями.

Значения характерных параметров типовой пары устройств интерливинга/деинтерливинга приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Значения параметров для высококачественных устройств интерливинга/деинтерливинга

Опорной частотой сетки ITU-T является 193,10 ТГц. Эта частота не выбиралась, исходя из какой-либо известной линии атомного стандарта абсолютных частот AFR.

Минимальный шаг был первоначально выбран 100 ГГц, а затем он был уменьшен до 50 ГГц. Этот минимум обеспечивает гибкость в выполнении различных требований стандарта ITU-T G.692. Кратные минимальному шагу значения совместимы с емкостью и шириной спектра усилителя EDFA.

Типичные характеристики систем WDM

В таблице 3 приведены характеристики мультиплексоров компании ADC, таблице 4 - характеристики демультиплексоров компании ADC. В таблице 5 приведены типовые характеристики мультиплексоров /демультиплексоров компании ADC.

Таблица 3 - Спецификация мультиплексора DWDM компании ADC

Таблица 4 - Спецификация демультиплексора DWDM компании ADC

Таблица 5 - Общая спецификация мультиплексора/демультиплексора компании ADC

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) От чего зависит относительная фаза?

) Фильтры на тонких пленках.

) Дифракционная решетка на массиве волноводов.

Лекция 19. Наружная прокладка ВОЛС

Прокладка кабеля к грунт

Наружная часть волоконно-оптической сети может быть кабелем с прокладкой в грунт, или кабелем, подвешенным на столбах при воздушной прокладке. Сектор наружной прокладки ВОК может включать также: а) линейные устройства, такие как регенераторы и оптические усилители, б) пассивные элементы, такие как разветвители сигнала. Вопросом большой важности для системного инженера-проектировщика является надежность и встроенные средства поддержания эксплуатационной надежности. Активные линейные устройства требуют первичных источников питания. Это питание может быть обеспечено на месте или может быть передано с помощью медных жил ВОК.

Надлежащий выбор трассы прокладки ВОК очень важен, так как это первый шаг избежать повреждений кабеля в процессе будущей его эксплуатации в этом регионе.

Ниже приведены указания, которые могли бы быть полезны для инженеров наружной прокладки, ответственных за планирование прокладки и укладку кабеля:

1.   Планы по прокладке кабеля должны осуществляться на основе информации, полученной в результате изыскательских работ на трассе прокладки кабеля.

2. Рабочие чертежи устанавливают соответствие трассы прокладки кабеля, содержат информацию о положении и глубине закладки кабеля, и информацию, достаточную для того, чтобы определить местоположение подповерхностных структур. Вместе с этим, таблице 6 дает стандартный унифицированный цветовой код для подземных сооружений, который можно встретить в таких проектах кабельной прокладки.

Таблица 6 - Стандартный унифицированный цветовой код для маркировки подземных сооружений и кабельных линий

3. При проектировании трассы приходится предвидеть возможные узкие места, возникающие в связи с получением права на прокладку, например, нужно принять во внимание сооружения, которые в будущем могут помешать проходу, а также существующие конкурирующие подземные коммуникации.

4. Приобретение прав на землю и необходимые разрешения должны быть получены до того, как начнется фактическая установка. Они включают разрешение на право прохода; а также должны включать места, отведенные под установку оборудования и рабочее пространство, которое будет включено в сферу последующего обслуживания.

5. Перед началом работ должна быть проведена встреча с представителями местных агентств и подрядчиков и другими, включенными в эти работы, для того чтобы обсудить план работ по сооружению ВОЛС, сроки их выполнения, последовательность этапов и операций и другие вопросы.

6. Собственники вложенных средств должны проводить инспекции по мере необходимости, чтобы быть уверенными, что строительство ВОЛС осуществляется по одобренному плану.

. Все важные документы и учетные записи того, что построено, должны контролироваться собственниками вложенных средств. Учетные записи того, что построено, должны быть доступны для правительственных органов или других организаций, планирующих работу в данном месте, чтобы иметь возможность избежать конфликтных ситуаций с кабельными сооружениями, которые были установлены. Ожидается, что построенное не приведет к последующим изменениям законченных общественных работ, ландшафта, достопримечательностей, или сделанных другими подземных сооружений.

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Из чего состоит наружная часть волоконно-оптической сети?

) Что в себе включает сектор наружной прокладки ВОК?

) Какие есть указания для инженеров наружной прокладки?

Лекция 20. Планирование трассы и прокладка ВОЛС

Организации связи накопили, грубо говоря, миллионы человеко-лет опыт прокладки медножильных пар и ВОЛС. Конечно, было бы желательно использовать для прокладки ВОЛС те же самые методы, что и раньше. Однако, особое внимание должно быть уделено низкой способности ВОК к перегрузкам, его критическим характеристикам на изгиб, большим возможны строительным длины и воздействию на ВОК окружающих условий.

Можно воспользоваться многими процедурами, используемыми при прокладке медножильных кабелей, но некоторые вопросы прокладки ВОК должны рассматриваться отдельно. Они включают (хотя и не ограничиваются) следующее:

- влияние сварки и оптических разъемов на длину секции (расстояние от оптоволоконного терминала или мультиплексора ввода-вывода (ADM) до соседнего регенератора или между двумя регенераторами);

большие строительные длины ВОК;

допуски, используемые в системах передачи, на дополнительное число сростков и/или оптических разъемов;

различия в конструкции ВОК (по сравнению с медножильным кабелем), при планировании и прокладке нужно быть особенно аккуратным, учитывая низкую перегрузочную способность, характеристики на изгиб и допустимый диапазон температур окружающей среды;

характер трассы и условия допуска персонала при прокладке и обслуживании, а также информацию о местности;

важность информации и тренинга, как части планирования процесс; прокладки кабеля.

Общая длина секции или пролета. Эта длина основана на понятии бюджета линии, которое в некоторых работах называют максимальными потерями внешней прокладки. Нужно иметь ввиду, что на эти потери оказывают влияние многие факторы, такие, как затухание волокна, уложенного в кабель (кабельное затухание), а также число оптических разъемов и сростков на длине звена. Длина трассы, которая содержит большой сегмент с воздушной кабельной подвеской, может быть короче, благодаря тому, что нужно предусмотреть дополнительное затухание за счет изменения климатических условий.

Вычисляя длину намотанного кабеля, инженер должен принять во внимание следующее. Для кабелепроводов длина ВОК на барабане определяется (при определении позиций сростков) следующим образом:

- расстояние между сростками = х (м);

допуск на увеличение длины = 2% от х (м);

сращивание + допуск на измерение - 10 м на каждом конце = 20 м;

таким образом, длина ВОК на барабане для кабелепровода длиной х метров равна (1+0,02)х + 20 м.

Важно принять во внимание, что для длинных секций, уложенных в кабелепровод, минимизация числа стыков должна быть согласована с возможностью прокладки полученных длин кабелей. Дополнительное выделение кабеля должно быть достаточно для организации дополнительных сростков сверх необходимого, если это понадобится при прокладке кабеля.

Для задувки кабеля в трубы или при непосредственной укладке в грунт кабелей, затягиваемых в отдельные трубы, длина кабеля на барабане определяется следующим образом (если положение сростков было надлежащим образом вычислено):

расстояние между стыками по данным измерений или на основании
плановой документации = х (м);

- допуск на сращивание с помощью разъемов + допуск на измерение - 10 м на каждом конце = 20 м;

таким образом, длина ВОК на барабане для непосредственной укладки на трассу длиной х метров равна (х + 20) м.

Ниже приведены причины того, почему кабели не могут быть уложены непосредственно в грунт:

- требуется механическая защита;

наличие дорог и других препятствий;

возможное расширение в будущем;

требуется защита от грызунов.

В качестве предварительных мер, можно уложить одну или несколько запасных труб, или использовать трубоукладчик, или воспользоваться непосредственной укладкой в траншею. Запасные трубы состоят из отдельных с секций длиной 2500 м, которые соединяются вместе с помощью фитингов для получения единого трубопровода, перекрывающего всю длину трассы. Впоследствии, используя знание фактической длины ВОК на катушке, или длины затягиваемого отрезка кабеля, ВОК протягивается через трубопровод. В точках стыковки, трубопровод открыт, на некоторое время, и последовательно герметизируется. Там, где должно выполняться сращивание, например, в кабельных колодцах, при начальном обследовании нужно убедится, что в каждом из них достаточно места для помещения необходимых устройств для сварки и измерения, а также для монтажного стола, освещения и т.д.

Материал кабелепровода или трубопровода, как правило, ПВХ или высокоплотный полиэтилен, или стекловолоконный эпоксидный компаунд. Внутренние и внешние стенки кабелепровода могут иметь продольные ребpa или гофрированную поверхность для облегчения процесса протягивания при прокладке ВОК.

Кабелепроводы имеют минимальный радиус изгиба. Кабель, протянутый через такой кабелепровод, не должен иметь радиус изгиба, меньше положенного. Этот радиус должен быть определен как допустимый, или недопустимый. Только допустимый радиус должен быть использован, если кабелепровод огибает поддерживающую структуру, такую как другой кабелепровод или катушка.

Самонесущий кабель. Такой кабель первоначально выкладывается вдоль линии опор на кабельных блоках, расположенных в точках установки oпор. Это можно сделать с помощью установочных средств передвижения (кабельных тележек), в зависимости от полевых условий, или путем затягивания кабеля вручную.

Можно использовать пролеты различной длины, если правильно выбрать провисание ВОК, принимая во внимание избыточную нагрузку. Для размещения воздушной линии рекомендуется использовать самую верхнюю
позицию на опорах во избежание проблем, связанных с проездом под линией
высокогабаритных средств передвижения.

Кабель с подвеской на несущем тросе. При такой схеме подвески необходимо использовать несущий (поддерживающий) трос. ВОК прикрепляется к несущему тросу либо на земле, либо после того как будет подвешен несущий трос. Несущий трос предварительно туго натягивается, что позволяет избежать чрезмерного удлинения кабеля. Во время этой процедуры нужно принять меры, чтобы избежать повреждения кабеля, в частности, из-за влияния сильного натяжения несущего кабеля на ВОК. Провисание ВОК должно быть выровнено до прикрепления к нему кабеля, если несущий трос подвешивается на опоры после прикрепления к нему ВОК.

Пересечение рек. Если маршрут ВОЛС должен пересекать реку, озеро или другую водную преграду, то нужно строго придерживаться следующего:

- для секции ВОК, используемой при пересечении водной преграды, должен использоваться специальный кабель, спроектированный для прокладки под водой и имеющий армированную защитную оболочку;

следует избегать расположения сростков под водой, нужно использовать для подводного пересечения непрерывный отрезок кабеля;

следует избегать возможных движений кабеля в любом направлении, заглубляя кабель в придонный слой почвы;

часто при такой прокладке используется баржа или лодка, поэтому при расчете требуемой длины нужно учитывать процент ее увеличения за счет провисания при прокладке;

если все-таки необходим сросток в середине пролета, нужно предусмотреть возможность восстановления армированной защитной оболочки вокруг сростка, чтобы она могла противостоять давлению воды без утечки.

Вертикальная прокладка для зданий, башен, мостов и т.д. Подход, используемый для организации ввода ВОК в здание, очень похож на тот, что применяется для металлических кабелей. Поэтому следует использовать тот же набор крепежных средств.

Эпоксидные анкерные блоки вставляются, чтобы фиксировать ВОК и кабельную структуру вместе, там, где кабель прокладывается вертикально в здании, на опоре моста или подобных структур. При этом предлагается соблюдать следующие правила закрепления:

- для внутренних оконечных кабелей - каждые 3 метра или меньше;

для заполненных кабелей - каждые 30 метров или меньше.

Располагайте первый анкерный блок в верхней части вертикальной секции. Следует предусмотреть, чтобы каждый анкерный блок был зафиксирован механически в вертикальном стояке. Рекомендуется, чтобы кабельные сростки были удалены, насколько это возможно, от верха и низа вертикальной секции.

Положение сростков и защита. Стыки/сростки в кабельных колодцах располагаются ближе к верхней части колодца и как можно ближе к его стенкам, так чтобы эта позиция создавала наибольшую защиту от возможных механических нагрузок, возникающих, если обслуживающий персонал случайно наступит на стык/сросток. Муфты со сростками и стыками кабелей непосредственной прокладки в грунт или резервную трубу также должны быть уложены в грунт.

Муфты для сращивания/стыковки должны располагаться как можно ближе к трассе кабельной прокладки. Они должны быть сконструированы так, чтобы выдерживать прямую прокладку в грунт, также как и установку в колодце. Пластиковая сетка используется для покрытия таких муфт. В них должна быть предусмотрена возможность размещения лишнего витка кабеля с физической защитой от ручных средств извлечения муфты.

Существуют ограничения на растягивающее усилие при протягивании кaбeля при его установке, протягивании в коллекторе, вдоль траншей или вдоль любой направляющей системы. В таблице 10.4 приведены некоторые нормативные значения таких растягивающих усилий для типичного ВОК. Эти максимальные значения натяжения никогда не должны превышаться. Избыточные усилия приводят к постоянному удлинению кабеля. Удлинение может вызвать порчу кабеля из-за обрыва волокон.

Подводные кабельные системы

Длинные подводные ВОЛС представляют довольно деликатные проблемы для проектировщиков. Оставляя в стороне тот факт, что в этих условиях требуется специальный тип кабеля, для предотвращения порчи кабеля за счет коррозии в морской воде, или специальные меры, для предотвращения возможности случайно зацепить его каким-нибудь тралом, принципиальным моментом, характеризующим проект является доступность системы. Мы должны максимизировать показатель доступности системы до величин порядка 99,99% и лучше. Однако наше обсуждение здесь сфокусировано, главным образом, на наземных системах. Подводные системы передачи - это особый тип систем и проблем.

Первое неудобство - доступ к подводным ВОСП затруднителен и дорог. Требуется использовать специальные суда.

Руководство по волоконной оптике ITU-T рекомендует следующее. Независимо от специфических кабельных характеристик от проекта к проекту, существует несколько основных критериев, которые должны выполняться для всех подводных оптических кабелей:

а)  срок службы системы должен быть не менее 25 лет;

б)  система должна иметь медные жилы с малым омическим сопротивлением и высокой изоляционной прочностью для дистанционного питания повторителей (регенераторов);

в)  система должна иметь необходимую прочность и степень защищенности, достаточную для того, чтобы иметь возможность безопасной укладки и восстановления кабеля в неблагоприятных погодных условиях,
используя обычные методы обработки на судах;

г)  система должна противостоять предполагаемым угрозам со стороны подводного окружения;

д)  система должна обеспечить такую конструкцию кабеля, которая защищает волокна от избыточного натяжения, давления, проникания воды и водорода;

е)  необходимо быть уверенным, что в случае полного разрыва кабеля, его конструкция ограничит доступ воды и минимизирует генерацию водорода;

ж) обслуживающий персонал должен сделать возможным быстрое размещение эффективных и надежных средств для ремонта кабеля в море.

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Какие есть стандартные унифицированные цветовые коды для маркировки подземных сооруженийи кабельных линий?

) Планирование трассы и прокладка ВОЛС.

) Как определяется общая длигна секции и пролета?

Лекция 21. Внутриобъектовая кабельная прокладка с использованием волоконной оптики

Если здание строится для использования в сфере бизнеса или для производственных целей, оно должно быть спроектировано так, чтобы включить кабельную прокладку для целей связи. Должно быть оставлено достаточно места для ее последующего расширения и модификации. Определение «достаточно места» довольно расплывчато и представляет определенную трудность для инженера-проектировщика.

Диапазон используемых приложений

Примерно до 1975 года диапазон использования телекоммуникационных приложений для бизнеса и в промышленности был ограничен аналоговой телефонией, использующей неэкранированную витую пару (UTP) для соединения с АТС и остальным миром. Сегодня диапазон таких приложений значительно шире, большинство используемых систем стали цифровыми и передают не только голос, но и данные. Среди таких цифровых систем можно встретить Ethernet (использующий сейчас около 22 разновидностей технологии CSMA/CD) с двумя его современными версиями, использующими скорости 1 и 10 Гбит/с, FDDI, Token Ring, TCP/IP. Кроме того, видео-SONET/SDH, ATM и, возможно, FC (оптоволоконный канал). Для передачи этих сигналов достаточно использовать многомодовое волокно с диаметром сердцевины 62,5 мкм и широкополосностью 160 МГц · км в окне 850 нм и 500 МГц/км в окне 1300 нм. Ключевым в наших рассуждениях относительно оптоволоконных устройств в помещении пользователя является то, что расстояния между ними малы, обычно не более 300 м для одного здания. При использовании в кампусной сети или, даже, в сетях класса «метро» (MAN), расстояния не превышают 60 км, если ориентироваться на стандарты ANSI/EIA/TIA-568-B.l.

Существуют два главных компонента кабельной прокладки в офисе пользователя: горизонтальная и вертикальная (магистральная) кабельные прокладки. Общая схема прокладки в офисе приведена на рисунке 19. Как показано на этом рисунке, горизонтальная кабельная прокладка соединяет рабочее пространство и оборудование с горизонтальным кроссом (НС). Горизонтальная кабельная прокладка, в общем случае, ассоциируется с кабельным покрытием рабочего пространства на уровне одного этажа. Вертикальная (или внутренняя магистральная) кабельная прокладка соединяет кроссы, расположенные на отдельных этажах, как показано на рисунке 19.

Цель создания вертикальной (внутренней магистральной) сети состоит в том, чтобы соединить главный кросс здания с каждым из телекоммуникационных шкафов в здании. Все больше и больше пользователей становятся сторонниками применения ВОК для поддержки телефонных (голосовых) приложений, путем установки небольших учрежденческих АТС на каждом этаже здания.

Рисунок 19 - Пример горизонтальной прокладки

Рисунок 20 - Пример вертикальной (магистральной) прокладки

Топология сети

Кампусная сеть состоит из ряда зданий, соединенных между собой телекоммуникационной связью. К этой категории сетей относятся военные базы, университеты, госпитали, большие промышленные комплексы. Современные коммуникационные элементы, необходимые при создании такого сетевого окружения, которое могло бы удовлетворить пользователя, сложны и дороги. Вся система может быть разбита грубо на следующие иерархические уровни:

1.   Кампус;

2.   Здание;

3.   Этаж здания:

а) телекоммуникационный шкаф (ТС);

б) рабочее пространство (WA).

Существует кросс или кроссовая панель, соответствующая каждому уровню. Существует, по крайней мере один, телекоммуникационный шкаф на каждом этаже. Кроссы для оптических волокон и медных пар должны быть физически отделены друг от друга.

МС - главный кросс, который обычно располагается на цокольном этаже одного из самых больших зданий. Все здания комплекса связаны друг с другом на одном или двух уровнях.

Промежуточный кросс (IС). В случае двухуровневого соединения, выбранные IС могут обслуживать ряд зданий. Эти кроссы затем присоединяются к МС.

Замечания по поводу прокладки волоконно-оптического кабеля

К коммутационной панели для ВОК подключаются следующие аппаратные устройства:

а)  основной кросс (МС);

б)  промежуточный кросс (1С);

в)  горизонтальный кросс (НС);

г)  точки перехода горизонтальной кабельной системы;

д)  телекоммуникационные розетки/разъемы.

Выбор кабеля и его использование

Требуемое число волокон. Большинство приложений, связанных с прокладкой кабеля в помещении заказчика, требуют полнодуплексной работы; следовательно, как минимум требуется два волокна. Нужно заметить, что видео приложения могут работать по симплексной схеме и, следовательно, требуют только одного волокна. Однако, кабельное ТВ быстро меняется от того традиционного варианта, которое требовало одно волокно, и уже требует двух волокон, учитывая те достижения, которые возможны сегодня.

Традиционная телеметрия требует только одного волокна. Но и здесь ситуация меняется. Некоторые виды телеметрии интерактивны и требуют двух волокон для приема и передачи.

Передача данных использует два волокна. Тем не менее, используются и четырехволоконные системы. Определяющим фактором является тип сетевого приложения, который реализуется.

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Как делается прокладка подводных кабельных систем.

) Какие есть главные компоненты кабельной прокладки в офисе пользователя?

) Приведите пример горизонтальной прокладки.

Лекция 22. Прокладка центральной магистрали

Так как волоконная оптика обычно не требует использования высокоскоростных модемов на основе медных пар, то оптоволоконные системы не требуют использования электроники в аппаратных на каждом этаже, и поэтому допускают полностью централизованную кабельную сеть. В методике, основанной на документе TIATSB72, описано, в общем случае, где конечный пользователь может разместить всю электронику в одной аппаратной в здании. Сравните это с использованием многих аппаратных, распределенных по зданию, в случае, если среда передачи -медный кабель. Это значительно упрощает управление и обслуживание оптоволоконных сетей и обеспечивает более эффективное использование портов электрических концентраторов, маршрутизаторов и коммутаторов.

Рассмотрим шесть показателей корпоративной сети:

1. Пропускная способность. Сеть должна точно доставлять пакеты данных на узлы всех пользователей с надлежащей скоростью и с оговоренным уровнем ошибок.

2. Время ожидания. Важно знать время доставки, т.е. сколько времени нужно, чтобы доставить пакеты данных (или фреймы) от пункта отправления до пункта назначения. Некоторые типы трафика требуют более срочной доставки, чем другие.

3. Дрожание фазы (джиттер). Изменение фазы последовательного потока бит по отношению к эталонной/опорной фазе.

4. Целостность. Данные не должны быть искажены в процессе прохождения по сети.

5. Порядок доставки. В некоторых системах передачи данных порядок доставки пакета или фрейма должен поддерживаться на пути от источника до назначения.

. Приоритет. Если происходит перегрузка на сети (которая ведет к затору), система может отбрасывать некоторые пакеты или фреймы (чтобы разобрать затор). Сеть должна быть способна различить пакеты с различным приоритетом и отбрасывать пакеты (фреймы) с низким приоритетом (как это делают ATM и Frame Relay).

Устройство тестирования корпоративной сети должно иметь специализированное аппаратное обеспечение со следующими характеристиками:

возможностью устанавливать BER тест для скоростей до 1 Гбит/с. Проектная цель: 10 Гбит/с, BER < 1×10 12, Agilent 81250.

- возможностью тестировать маршрутизаторы, Agilent E5203A (тестер маршрутизаторов).

возможностью моделировать протоколы, устройство должно включать все протоколы, используемые в корпоративной сети.

возможностью генерировать форматы кадров Ethernet, ячеек ATM, кадров FDDI, кадров Frame Relay уровня 2 и тестировать состояние фреймов на уровне 3 (если нужно, то и фирменный генератор фреймов). Это может быть Agilent 86100A.

возможностью измерять джиттер и время ожидания. Можно использовать Agilent p/o 5980-0990E.

тестовое оборудование и техника измерений.

Следует заметить, что может быть некоторое дублирование тестовых процедур, выполняемых оборудованием, указанном в списке выше.

Большинство производителей оборудования проводят тест. Проектировщики сетей также должны быть озабочены разными мелочами, которые могут оказаться важными, когда дело касается таких тонких моментов. Например, маршрутизатор на одном конце линии связи Т1 запоминает кадры, которые подаются на его вход со скоростью порядка 1 Гбит/с. Сам он может передавать кадры со скоростью 1,536 Мбит/с. Ясно что буфер маршрутизатора будет заполнен в конце теста. Однако маршрутизатор не остановится, а будет какое-то время продолжать выдавать тестовые кадры с выхода. В таких случаях алгоритм тестирования должен быть модифицирован так, чтобы кадры, которые пересчитываются, инкапсулировались в кадры, которые не пересчитываются. Конечно, было бы проще использовать тестовое оборудование, работающее на скорости 1 Гбит/с.

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Приведите пример вертикальной (магистральной) прокладки.

) К кампусной сети относятся какие здания?

) Какие есть замечания по поводу прокладки волоконно-оптического кабеля?

Лекция 23. Требования к конструкциям оптических кабелей

Оптический кабель состоит из скрученных по определенной системе оптических волокон из кварцевого стекла, заключенных в общую защитную оболочку. При необходимости кабель может содержать силовые (упрочняющие) и демпфирующие элементы. В зависимости от назначения, условий прокладки и эксплуатации разработаны и производятся оптические кабели (в дальнейшем - ОК) разных типов и конструкций.

ОК должны удовлетворять ряду требований, предъявляемых к традиционным металлическим кабелям связи:

возможность прокладки в условиях, в которых прокладываются электрические кабели;

возможность сращивания и монтажа в полевых условиях с достаточной легкостью и в течение короткого времени;

устойчивость к внешним воздействиям в соответствии с условиями эксплуатации на сетях связи;

надежность эксплуатации с заданными показателями безотказности, долговечности и ремонтопригодности.

Необходимо отметить, что по таким показателям, как устойчивость к внешним воздействиям и надежность эксплуатации, ОК не только не уступают, но и значительно превосходят металлические.

Конструкция ОК выполняет следующие основные функции:

защита волокна от повреждений и разрушений в процессе производства, прокладки и эксплуатации кабеля;

обеспечение постоянства характеристик оптического волокна в процессе срока службы кабеля;

сохранение прочностных характеристик кабеля;

возможность идентификации волокон в кабеле для предотвращения разбитости волокон при соединении строительных длин оптического кабеля.

OK для защиты волокон от повреждений и дополнительных потерь из-за микроизгибов в процессе прокладки и эксплуатации конструируются с упрочняющими (силовыми) элементами, чтобы выдержать нагрузки тяжения и нагрузки от температурных расширений и укорочений.

Существующие ОК по своему назначению могут быть классифицированы на три группы: магистральные, зоновые и городские. В отдельные группы выделяются 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 с дальностью связи до 250 км. Используются одномодовые и 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) и одномодовые (по заказу). 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.). Используются многомодовые волокна.

Монтажные ОК используются для внутри- и межблочного монтажа аппаратуры. Они выполняются в виде жгутов или плоских лент.

В отличие от электрических, оптические кабели - магистральные и городские - по своим конструктивным и оптическим параметрам мало различаются. Более показательным критерием являются условия прокладки, согласно которым все ОК подразделяются на две большие категории: для наружной и для внутренней прокладки. Есть кабели, пригодные для прокладки как вне, так и внутри зданий.

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Требуемое число волоконн.

) Какие есть показатели корпоративной сети?

) Какие требования должен удовлетворять ОК?

Лекция 24. Разделение оптического кабеля по различным признакам

Оптический кабель (ОК) может быть проложен по опорам железных дорог, на линиях электропередачи, в силовых кабелях, в канализационных и водопроводных трубах, по руслу рек и дну озер, вдоль автомобильных дорог.

Подразделяют ОК по таким признакам, как: назначение и условия применения; способ прокладки; конструктивные и технологические особенности; число ОВ и электрических жил (таблица 7).

Таблица 7 - Подразделение ОК по различным признакам

В общем случае деление по группам, установленное ГОСТ и публикацией МЭК, достаточно условно, так как требования, предъявляемые к каждой группе кабелей в нашей стране и за рубежом, отличаются в значительной степени как по уровню параметров, так и по их комбинации.

Выбор той или иной конкретной конструкции в пределах одной группы или вида зависит от многих переменных и определяется параметрами системы передачи, внешними воздействиями и стоимостью.

Согласно классификации МСЭ-Т оптические кабели можно разделить на кабели для внешней и внутренней прокладки (таблица 8).

Таблица 8 - Кабели для внешней и внутренней прокладки

Классификация ОК для внешней прокладки, т. е. линейных кабелей, представлена на рисунке 21, ОК для внутренней прокладки, т. е. внутриобъектовых кабелей, - на рисунке 22.

По условиям применения кабели делятся на подвесные, подземные и подводные. Самый распространенный вид прокладки оптических кабелей - подземный.

Конструкция подводных оптических кабелей связи выбирается в зависимости от вида водной системы (река, озеро, залив, островные протоки) и существующего риска, связанного с рыболовством (таблица 9).

Рисунок 21 - Классификация ОК для внешней прокладки

Рисунок 22 - Классификация OK для внутренней прокладки

Таблица 9 - Степень риска, связанная с применением подводных кабелей

Кроме того, конструкция и способ производства кабеля определяются его назначением (таблица 10).

Таблица 10 - Конструкции и способ производства кабеля

Физика распространения оптического сигнала и физические свойства оптических волокон отличаются от физики распространения электрических сигналов и физических свойств обычных металлических проводников. Однако основное назначение элементов конструкции волоконно-оптического кабеля аналогично назначению элементов конструкций обычных кабелей электросвязи с металлическими проводниками. Оно заключается в том, чтобы сохранять характеристики передачи и механическую прочность волокон стабильными в процессе изготовления, прокладки и эксплуатации кабеля.

Поскольку кабели электросвязи могут подвергаться всевозможным вредным воздействиям в природных условиях и условиях, связанных с деятельностью человека, необходимы конструкции кабелей, которые могли бы выдержать любые воздействия окружающей среды. Волоконно-оптические кабели должны обладать высокой механической и химической прочностью.

Размеры и характеристики оптических волокон, применяемых в электросвязи, должны соответствовать Рекомендациям МСЭ-Т;

· G.651 (многомодовые градиентные волокна 50/125 мкм);

· G.652 (одномодовые волокна);

· G.653 (одномодовые волокна со сдвигом дисперсии);

· G.654 (одномодовые волокна с затуханием, минимизированным на волне 1550 нм);

· G.655 (одномодовые волокна со смещенной ненулевой дисперсией, в том числе с малым наклоном кривой дисперсии, с большой эффективной площадью поля моды).

По сравнению с традиционными кабелями электросвязи с металлическими проводниками волоконно-оптические кабели обладают многими достоинствами:

· малые масса и размер;

· возможность прокладки на большие расстояния;

· малые потери;

· отсутствие переходных влияний;

· большая ширина полосы;

· отсутствие влияния электромагнитных полей.

К факторам, учитываемым при проектировании волоконно-оптических кабелей относятся:

· механические характеристики и характеристики окружающей среды;

· долгосрочная надежность;

· легкость выполнения работ по прокладке и сращиванию;

· применение на сети.

Внешние кабели прокладываются в разных условиях и могут
подвергаться сильным природным воздействиям, поэтому при выборе кабеля необходимо предусматривать все возможные воздействия окружающей среды.

Очень перспективными являются полностью диэлектрические кабели связи, которые не подвержены воздействию сильных электромагнитных полей. Однако при их применении должны быть обеспечены: прочная защита кабеля (и особенно волокон) от механических воздействий (землетрясения, вечная мерзлота, подвижка пластов, оползни, селевые потоки, камнепады), от проникновения паров воды с примесями и других источников атомарного водорода, способствующих коррозии кварцевых волокон, от грызунов и насекомых; электропитание необслуживаемых пунктов; передача сигналов телеконтроля, телемеханики и служебной связи; возможность обнаружения места повреждения трассы подземного кабеля.

Кабели с металлическими элементами в настоящее время широко используются в подземных, подвесных, подводных конструкциях на магистральных, зоновых и местных сетях, в районах землетрясений, в районах с вечно-мерзлыми и оползневыми участками, в местах обитания большого числа грызунов.

При разработке конструкции ОК с металлическими элементами следует различать две большие группы (диэлектрические и с металлическими элементами) и три подгруппы:

·ОК, содержащие армирующие элементы (диэлектрические или металлические), находящиеся в центре конструкции кабеля;

·ОК, содержащие армирующие элементы по периферии оптического сердечника;

·ОК, содержащие армирующие элементы и в центре, и на периферии.

Кроме того, ОК с металлическими элементами могут быть разделены еще на две подгруппы: с пассивными металлическими элементами и с пассивными и активными металлическими элементами.

При выборе типа оболочек (диэлектрическая, металлическая, металло-диэлектрическая) кроме электромагнитного воздействия необходимо рассматривать и другие факторы:

·генерация атомарного водорода;

·климатические условия;

·проникновение воздуха;

·сопротивление проникновению примесей;

·механическая стабильность;

·химическое сопротивление;

- диаметр кабеля;

·масса кабеля;

·термостойкость и огнестойкость;

- сопротивление грызунам и насекомым;

метод соединения оболочки на строительных длинах.

Для ОК с активными и пассивными металлическими элементами важным является электромагнитная совместимость в условиях воздействия сильных электромагнитных полей.

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Какие основные функции выполняет ОК?

) На какие три группы может классифицировать по своему назначению ОК?

) Где используются монтажные ОК?

Лекция 25. Порядок маркировки оптических кабелей

Маркировка ОК достаточно разнообразна и зависит от компаний-производителей. Обычно используются два типа маркировки: кодовая буквенно-цифровая и непосредственная, когда вслед за маркой кабеля последовательно указываются значения основных параметров.

Примером отечественной кодовой маркировки может служить кодировка кабелей компании «Севкабель-оптик» и «Севкабель» (таблице 11, где код приведен в русской и латинской версиях).

Порядок маркировки кабелей: СЕВ-234-567-8-9, где СЕВ - завод-изготовитель, а цифры соответствуют порядковому номеру в таблице 11.

Пример маркировки: СЕВ-ДПС-024 Е 06-О6-М2, SEV-DPC-024Е06-06-М2.

Кабель магистральный модульный с центральным диэлектрическим элементом, влагозащитная оболочка полиэтиленовая, с однослойной броней из стальных проволок и ПЭ оболочкой, с 24 одномодовыми стандартными оптическими волокнами, 6 скрученными в модуле волокнами и двумя медными жилами.

Примером непосредственной цифровой маркировки (кроме буквенных обозначений типа кабеля) может служить кодировка обозначений кабелей, используемая ЗАО «Самарская оптическая кабельная компания» (СОКК), представленная в таблице 12.

Пример маркировки: ОКЛ-01-6-16-10/125-0,36/0,22-3,5/18-1.0 - оптический кабель для прокладки в трубах и кабельной канализации внутри зданий, 01 -тип конструкции, с 6-повивной скруткой сердечника, 16 ОВ с диаметром сердечника 10 мм, диаметром оболочки 125 мм, коэффициент затухания дБ/км на длине волны 1310 нм - 0,36, на 1550 нм - 0,22, хроматическая дисперсия - в пс/нм/км на длине волны 1310 нм - 3,5, 1550 нм- 18, допустимая растягивающая нагрузка кН- 1.

Таблица 11 - Маркировка кабелей

Таблица 12 - Цифровая маркировка

В маркировке кабелей «Электропровод» (таблица 13) нет явного указания на рабочую длину волны волокна, но ее можно установить по двум другим параметрам - диаметру сердцевины и коэффициенту затухания, если использовать указанные в примечании значения, связывающие эти параметры 0В.

Таблица 13 - Маркировка кабелей «Электропровод»

В таблице 13.3 (поз 7) код 8 обозначает - ОМ волокно со сдвигом дисперсии (диаметр сердцевины 8 мкм) работает на длине волны 1550 нм и поставляется с затуханием 0,2...0,25 дБ/км.

Код 10: ОМ волокно стандартное (диаметр сердцевины 10 мкм) работает на длинах волн 1550 и 1310 нм и поставляется с затуханием; 0,2...0,25 дБ/км (для 1550 нм) и 0,35...0,4 (для 1310 нм).

Код 50: ММ волокно стандартное (диаметр сердцевины - 50 мкм) работает на длинах волн 850 и 1310 нм и поставляется со следующими значениями затухания: 2,4...5,0 дБ/км. (для 850 нм - широкополосность: 400..-600 МГцкм) и 0,5...1,5дБ/км (для 1310 нм - широкополосность: 400...1500МГцкм).

Код 62,5: ММ волокно стандартное (диаметр сердцевины - 62,5 мкм) работает на длинах волн 850 и 1310 нм и поставляется со следующими значениями затухания: 2,8...5,0 дБ/км. (для 850 нм - широкополосность: 160...400 МГцкм) и 0,6...1,5 (для 1310 нм - широкополосность: 200...800 МГцкм).

Пример маркировки: ОКВО-М12(0,9)Т-10-0,4-8 ОКНБ-М8Т-10-0,25-8/4, ОК/Т-М6П-10-0,4-12, ОКБ-Т6,0-8-0,22-32.

Завод «Сарансккабель-оптика» маркирует волоконно-оптические кабели следующим образом:

ОКХα

ОК - оптический кабель

X - внешнее покрытие, где Г - без брони, Б - броня из стальных проволок, К - броня из высокомодульных армированных нитей

α - коэффициент затухания

Компания ЗАО «Трансвок» маркирует оптические кабели придерживаясь принципа описания элементов его конструкции последовательно от наружного к внутренним элементам.

ОКАВ - а-б-в- г/д, (е,ж) - з- и(к)/и1(к1)

ОК - оптический кабель

А - назначение кабеля, где М - магистральный, 3- зоновый,

В - условие прокладки, где С - самонесущий, Т-для прокладки в трубопроводе, для остальных условий прокладки не маркируется,

а - внешняя облочка, где полиэтилен не маркируется, В - оболочка из поливинилхлорного пластика, Н - не распространяющие горение;

б - защитные покровы (броня), где А - обмотка из армидных нитей, С - броня из стальной гофрированной ленты;

в - материал внутренней оболочки кабеля, где П - полиамидная, полиэтиленовая не маркируется;

г - число оптический модулей;

д - число заполняющих модулей;

е- номинальный наружный диаметр оптического модуля, мм;

ж - номинальный оптический диаметр заполняющего модуля мм;

з - тип центрального элемента, где Т - стальной тросе, Сп - стеклопластиковый пруток;

и - число волокон в кабеле (если волокна одного типа) или в модулях (если имеются модули с различными типами волокон);

к - тип оптического волокна.

к1, и1 - то же для волокон другого типа.

В ОК применяются одномодовые оптические волокна, соответствующие рекомендациям ITU.T. : 2-G652, 3-G653, 5-G655

Пример маркировки: ОКМС - А - 4/2 (2,4) Сп - 12(2)/12(5)

Оптический магистральный самонесущий кабель в полиэтиленовой внешней оболочке, с защитным покровом из арамидных нитей, 4 оптических модулей и двух заполняющих с наружным диаметром 2,4 мм. Внутренняя оболочка из полиэтилена, центральный силовой элемент из стеклопластикового прутка 12 стандартных одномодовых волокон типа G 652 и 12 волокон с ненулевой смещенной дисперсией G-655. Завод «Москабельмет» маркирует кабели следующим образом:

ХХХХ-А-Б-В-Г.

ХХХХ - тип кабеля;

А - тип волокна: 10 - ОМ 10/125, 50 - ММ 50/125, 62 -МН 62,5/ 125;

Б - типа центрального несущего элемента: 01 - стеклопруток, 02 - стальной трос, 03 - стальная проволока;

В - максимальное затухание на рабочей длине волны, дБ/км;

Г - количество волокон.

Пример маркировки: ОКК-50-02-022-24.

Тип кабеля - ОКК, тип используемого волокна ММ 50/125, центральный несущий элемент - стальной трос, максимальное затухание на рабочей длине волны - 0,22 дБ/км, количество волокон - 24.

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Классификация оптических кабелей.

) Какими достоинствами обладают ОК?

) Различаются какие группы при разработке конструкции ОК с металлическими элементами?

Лекция 26. Требования к маркировке оптического кабеля связи

В зависимости от назначения ОКС и условий их применения требования к конструкциям ОКС различны.

Например, океанские ОКС должны отличаться высокой устойчивостью к механическим воздействиям (растяжение при прокладке и подъеме, высокое гидростатическое давление, удары судовых якорей, рыболовных тралов, укусы рыб, отливы и приливы); поперечной и продольной герметичностью при высоком гидростатическом давлении; высоким сопротивлением осевым закручиваниям, не допускающим образования спиралей и петель при прокладке; защищенностью от воздействия атомарного водорода; коррозионной устойчивостью к морской воде; высокой надежностью в целом, обеспечивающей практически безотказную работу ОКС в течение всего срока службы.

При выборе, закупке и приемке того или иного оптического кабеля связи требуется быстро, без обращения к технической документации (ТУ, паспорту и т.д.) определить область его применения. Для этого служит маркировка, представляющая собой аббревиатурную запись основных параметров ОК, к числу которых относятся;

назначение и область применения;

- конструкция сердечника;

- материал промежуточной и наружной оболочек;

наличие брони;

число оптических модулей и оптических волокон в пучке;

тип оптического волокна;

диаметры модового поля, сердцевины и отражающей оболочки;

рабочая длина волны и коэффициент затухания на ней;

полоса пропуская на рабочей длине волны;

материал и площадь сечения силовых элементов;

допустимое растягивающее усилие и др.

Чтобы любой специалист мог быстро расшифровать аббревиатурную запись, обозначения одних и тех же параметров ОК должны быть унифицированы. Сегодня же в маркировках отечественных ОК используется множество разных обозначений.

В кабелях для промышленных потребителей обычно используются 2, 4, 6, 8, 10 или 12 световодов. Для специальных случаев может быть выбрано и другое число световодов, отличающееся от приведенных. Скручиваемые элементы идентифицируются следующим образом:

Односветоводная жила в полой оболочке

как маркированный элемент.... Красный цвет

Остальные односветоводные жилы

в полой оболочке..................... Зеленый цвет

Заполнители (жилы без световодов)       Естественный цвет

Если используются заполнители, то они должны размещаться симметрично по отношению к маркируемой жиле.

Для обеспечения служебной связи дополнительно могут скручиваться два медных провода диаметром, напрмер, 0,6 мм, изолированные полиэтилен-пенопластом (целлополиэтилен с нанесенным поверх него слоем пенополиолефина). Свиваемые элементы маркируются следующим образом:

Первый провод (медный)     Красный

Второй провод (медный)      Красный с кольцевой меткой

Односветоводные жилы в

полой оболочке............. Зеленый

Заполнители................. Естественный цвет

Оба медных провода должны располагаться симметрично по отношению к маркированной жиле. Заполнители также располагаются симметрично поверх медных жил. Далее должны находиться остальные ОВ в полой оболочке. Нумерация ОВ осуществляется подряд, начиная с маркированной ОВ в полой оболочке, расположенной между двумя медными жилами. Благодаря кольцевой метке на одной из медных жил определенное направление счета не задается.

Литература

Осн.1. [стр. 90-95]

Доп. 1. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

) Выбор типа оболочек.

) Какие факторы применяются при выборе типа оболочек?

) Для чего служат объектовые ОК?

Лекция 27. Городские оптические кабели

В настоящее время отечественная кабельная промышленность освоила производство оптических кабелей практически любых типов и назначений. Эти кабели отвечают требованиям международных стандартов, рекомендациям МСЭ (ITU-T) G.651...G.655. Для изготовления ОВ применяются как отечественные, так и импортные материалы высокого качества.

Оптические кабели в России производят девять отечественных заводов, имеющих 15 сертификатов соответствия.

Завод АОНФ «Электропровод» выпускает почти все типы оптических кабелей для наземных ВОСП - от магистральных и подвесных ОК до внутриобъектовых, а также ОК для внутристоечных соединений.

Кабели типа ОКБМ (рисунок 23) предназначены для прокладки в грунтах всех категорий, в том числе зараженных грызунами (кроме грунтов, подверженных мерзлотным деформациям), в воде для прокладки через водные преграды и судоходные реки глубиной более 2 м, в кабельной канализации, трубах, блоках, коллекторах, на мостах и в кабельных шахтах. Этот тип ОК снаружи покрыт полиэтиленовой оболочкой 1, под которой имеется броня из стальной проволоки 2, гидрофобное заполнение 3, сердечник одномодульный 4.

Рисунок 23 - Кабели типа ОКБМ

На рисунке 24 кабель типа ОКНБ-М. Этот тип кабеля имеет то же самое назначение. В качестве силового элемента в нем применяется стальной трос или стеклопластиковый пруток (в центре) 3. Наружная оболочка кабеля 1 выполнена из обычного полиэтилена или из полиэтилена, не распространяющего горение. Под оболочкой имеется броня из стальной проволоки 2. В отличие от ОКБМ этот кабель имеет многомодульный сердечник, модули расположены вокруг центрального силового элемента из стального троса. Все перечисленные типы ОК выполнены на основе одномодовых ОВ с затуханием 0,22 дБ/км на длине волны 1550 нм. В названиях кабелей заложены их основные характеристики: ОКСБС-Т 6,0-10-0,22-8 - оптический кабель, броня из стальной проволоки, диаметр центральной трубки (6,0), диаметр сердечника 0В (10), затухание ОВ - 0,22 дБ/км, 8 - количество волокон.

Городские оптические кабели представлены на рисунке 25. Кабели типов ОК-М...ОКН-М и ОКО-М...ОКНО-М (рисунок 25) предназначены для прокладки в кабельной канализации, трубах, блоках, коллекторах, на мостах и в кабельных шахтах. Кабели типа ОК-М (рисунок 25,б) снаружи покрыты полиэтиленовой оболочкой 1, тип используемого волокна 2 - одномодовое с затуханием 0,22 дБ/км. ОК типов OKO-М...ОК-НО-М кроме полиэтиленовой оболочки имеют под ней оплетку из стальной проволоки 4. Тип используемого волокна - многомодовое OB c затуханием 0,6 дБ/км на длине волны 1300 нм. Оба типа кабелей имеют центральный силовой элемент 3 - стальной трос или стеклопластико-вый пруток. Оптические кабели типов ОКС-М...ОКНС-М, ОКСА-Т ОКНСА-Т (рисунок 25в) предназначены для прокладки в легких грунтах, кабельной канализации, трубах, блоках, коллекторах, на мостах и в кабельных шахтах. Кабели типа ОКС-М...ОКНС-М имеют центральный силовой элемент - стальной трос или стеклопластиковый пруток 3. Наружная оболочка 1 выполнена из полиэтиленового покрытия, не распространяющего горение, под которой имеется броня из стальной гофрированной ленты 4. Кабели типа ОКСА-Т...ОКНСА-Т имеют броню из стальной гофрированной ленты и обмотку из арамидных нитей. В кабелях этих типов используются оптические одномодовые волокна с затуханием 0,22 дБ/км.

Рисунок 24 - Кабель типа ОКНБ-М

Рисунок 25 - Городские кабели типов ОК

Внутриобъектовые ОК предназначены для прокладки внутри зданий, сооружений, станций, внутри аппаратуры. Кабель типа ОКНА-Т (рисунок 26,а) имеет наружную оболочку из полиэтилена, не распространяющего горение, и обмотку из арамидных нитей, одномодульный сердечник. Используемое волокно - многомодовое с сердечником диаметром 50 мкм и затуханием 0,6 дБ/км на 1300 нм. Кабель типа ОКВ (рисунок 26,б) покрыт наружной оболочкой из поливинилхлоридного пластиката, имеет центральный упрочняющий элемент - стеклопластиковый пруток, сердечник многомодульный. Используемое ОВ - многомодовое с диаметром сердечника 62,5 мкм и затуханием 0,6 дБ/км на 1300 нм.

Рисунок 26 - Внутриобъектовые кабели

Литература

Осн.4. [стр. 95]

Доп. 4. [стр. 32].

Контрольные вопросы

) Макркировка кабелей «Электропровод».

) Кабели типа ОКБМ.

) Какие характеристики у кабеля типа ОКНБ-М?

Лекция 28. Отечественные оптические кабели

Оптические подвесные кабели предназначены для подвески на опорах линий связи, контактной сети железных дорог, линий электропередач на напряжение до 110 кВ. На рисунке 27,a представлено поперечное сечение одного из типов подвесных OK - ОК/А. Этот тип кабеля имеет центральный силовой элемент из стеклопластикового прутка 2. Внешний силовой элемент выполнен из арамидных нитей и пластикового троса 1. В кабелях используется одномодовое ОВ с затуханием 0,4 дБ/км на 1300 нм. Подвесной кабель ОКА-М (рисунок 27,б) имеет только центральный силовой элемент из арамидных нитей.

Рисунок 27 - Подвесные кабели

Завод «Москабельмет» выпускает кабели для внешней прокладки. Кабели ОМЗКГм предназначены для прокладки в грунт всех категорий, кроме подверженных мерзлотным деформациям, рекомендуется для прокладки в местах заражения грызунами, имеет броню из стальной проволоки (рисунок 14.6,а), где 1 -ОВ, 2 - гидрофобный заполнитель, 3 - полимерная трубка, 4 - стальной трос, 5 - гидрофобный заполнитель, 6 - скрепляющая лента, 7 - промежуточная оболочка, 8 - стальная проволока, 9 - полимерная оболочка.

Кабель ОМЗГКЦ имеет аналогичное назначение, но отличается конструкцией сердечника, внутри кабеля размещена полиэтиленовая трубка с оптическими волокнами. Конструкция кабеля показана на рисунке 14.6,б, где 4 - оболочка из ПБТ, 5 - водоблокирующая лента, 6 - стальная проволока, 7 - полимерная оболочка.

Кабели типа ОКСТ и ОКК предназначены для прокладки в кабельной канализации, трубах, коллекторах и т.д. Конструкция сердечника их такая же, как и в кабеле ОМЗКГ. Отличительная особенность ОКСТ - броня в виде гофрированной стальной ленты, а ОКК не имеет брони поверх полимерной оболочки, которая может изготавливаться из материала, не поддерживающего горение.

Подвесной кабель типа ОКП представлен рисунком 14.6,в, где 4 - стеклопластик, 5 - полимерная трубка, 6 - гидрофобный заполнитель, 7 - скрепляющая лента, 8 - синтетическая нить (кевлар или таврон), 9 - полимерная защитная оболочка. ОКП имеет выносной несущий трос, силовой элемент изготовлен из стального троса или жгута нитей из синтетического высокомодульного материала (кевлар, таврон).

Подвесной самонесущий кабель ADSS имеет полностью диэлектрическую конструкцию, в том числе и силового элемента, аналогичного кабелю ОКП. Его конструкция представлена на рисунке6,г, где 3 - оболочка из ПБТ, 4 - стеклопластик, 5 - гидрофобный заполнитель, 6 - полипропиленовая лента, 8 - оболочка из ПЭ, 9 - нити таврон, 10 - защитная оболочка из ПЭ.

Завод выпускает также кабели для внутренней прокладки.

Распределительные кабели -DST (рис. 28,а) с количеством волокон от 2 до 24 и Breackout (рисунок 28,б) с числом волокон от 2 до 12, предназначенный для прокладки в колодцах кабельной канализации, коллекторах, тоннелях, плинтусах, по стенам зданий и для подвески. На рисунке 28,а 1 - OB в буферном покрытии, 2 - упрочняющие элементы, 3 - внешняя оболочка, а на рисунке 28,б 3 - центральный силовой элемент, 4 - наружная оболочка.

Выпускаются также одноволоконные и двухволоконные кабели, предназначенные для внутренней прокладки в зданиях, кабельных шахтах, коробах, открытым способом, а также изготовления соединительных шнуров (patch-cords и pig-tails). В этих ОК волокна покрыты буферным покрытием, поверх которого располагаются упрочняющие нити, а сверху накладывается защитная полимерная оболочка. Используются волокна одномодовые - 10/125, или многомодовые -50/125 и 62,5/125.

Рисунок 28 - Подвесные кабели типа ОКП

Рисунок 28 - Распределительные кабели

ОАО «Севкабель» и ЗАО «Сев-кабель-Оптик» предлагают потребителям следующие типы ОК для применения в различных условиях.

ДПТ - самонесущий кабель модульной конструкции, содержащий сердечник, образованный повивом оптических модулей вокруг центрального стеклопластикового элемента. Сердечник защищен промежуточной оболочкой из полиэтилена, повивами арамидных нитей и наружной полиэтиленовой оболочкой.

Для самонесущих кабелей существует опасность повреждения ружейной дробью, поэтому возникает необходимость в баллистической защите, которая достигается благодаря применению промежуточной оболочки из специальной высокопрочной полиамидной композиции. В сочетании с арамидными повивами такая оболочка обеспечивает хорошую баллистическую защиту оптического сердечника кабеля, не меняя существенно его массо-габаритных показателей.

Кабель ДПМ - полностью диэлектрический кабель со стеклоплас-тиковой броней для подвески на опорах линий связи, линий электропередачи, для прокладки в грунтах всех групп (кроме грунтов, подверженных мерзлотным деформациям) в кабельной канализации, трубах, блоках, по мостам и эстакадам, в тоннелях и коллекторах (в исполнении, не распространяющем горение). Его применяют при особо высоких требованиях по устойчивости к внешним электромагнитным воздействиям. Отличие от конструкции кабеля ДПС заключается в замене стальных проволок стеклопластиковымк стержнями.

OK типов ОПС и ОПУ (рисунок 14.8) представляет собой центральный модуль с оптическими волокнами 1, гидрофобным заполнением 2, бронированный повивом стальных оцинкованных проволок 3 диаметром от 1,2 до 1,6 мм и защищенный наружной полиэтиленовой оболочкой 4. Эти кабели предназначены для укладки в грунт и канализацию.

Предприятие «Вимком-Энергострой» выпускает самонесущие неметаллические ОК марок ОКСН для подвески на опорах контактных сетей, воздушных линий автоблокировки и воздушных ЛЭП.

Конструкция самонесущего неметаллического ОК с центральным силовым элементом из стеклопластикового стержня, вокруг которого скручены оптические модули с общим количеством одномодовых или многомодовых оптических волокон от 4 до 72 с гидрофобным заполнением, промежуточной оболочкой из полиэтилена, слоем арамидных нитей и внешней оболочкой из трекингостойкого полиэтилена или полиэтилена. Количество ОВ от 40 до 72.

Кабель типа ОКЛ - 01 (02), выпускается ЗАО СОКК в двух модификациях: для прокладки в трубах, коллекторах кабельной канализации, а также внутри зданий и для прокладки в полиэтиленовых трубопроводах, отличия между ними заключаются в защитных покровах.

Кабель для подземной прокладки типа ОКЛ К - 01(02) имеет в отличие от кабеля ОКЛ броневой покров из круглых стальных проволок и поэтому допускает воздействие более высоких механических нагрузок.

Кабель оптический, встроенный в грозозащитный трос типа ОКГТ, (рисунок 29) предназначен для подвески на опорах ЛЭП напряжением до 220 кВ. В этом кабеле 1 - ОВ, 2 - гидрофобный заполнитель, 3 - стекловолоконные стержни, 4 - силовой элемент из стеклопластика, 5 - оптические модули, 7 - алюминиевая трубка, которая накладывается на повив из стальных проволок 6, положенных на оптический сердечник. Поверх алюминиевой трубки накладывается наружный повив из чередующихся стальных и алюминиевых проволок 8. Самонесущий, грозозащитный кабель ОКГТ-МТ (рисунок 30) отличается от ОКГТ конструкцией оптического сердечника. В этом кабеле 1 - ОВ, используется 2 - гидрофобный заполнитель, 3 - центральный оптический модуль, 4 -повив из стальной оцинкованной проволоки, 5 - алюминиевая труба, 6 - повив из алюминиевых и стальных проволок.

Рисунок 29 - ОК типов ОПС и ОПУ

Кабель оптический, самонесущий, диэлектрический типа ОКЛЖ, предназначен для подвески на опорах контактной сети электрифицированных железных дорог. От ранее описанных кабелей отличается отсутствием металлических покровов.

Рисунок 30 - Кабель встроенный в грозозащитный трос

ОК производства завода «Сарансккабель» ОКБ-0,22 предназначен для прокладки во всех грунтах, канализации, в трубах, в воде при пересечении рек и болот. Имеет броню из стальных проволок. ОКГ-, ОКЛ-0,22 прокладываются в кабельной канализации, в трубах, блоках, коллекторах с броневым покровом из гофрированной стальной ленты. ОКК-0,22 предназначен для подвески на опорах контактных сетей электрифицированных железных дорог и ЛЭП с напряжением до 110 кВ. Это полностью диэлектрический кабель с защитным покровом из арамидных нитей.

ЗАО «Трансвок» выпускает ОК модульной конструкции со свободной укладкой ОВ в модуле. Кабель имеет силовые и защитно-упрочающие элементы, гидрофобный заполнитель.

Выпускаются ОК следующих типов:

ОКМС - кабель магистральный, самонесущий для подвески на опорах контактной сети и линий автоблокировки железных дорог, на опорах линий электропередач до 110 кВ воздушных линий связи и эксплуатации при температуре окружающей среды -60...+ 70°С.

Рисунок 31 - Кабель марки ОКМС

Конструкция кабеля представлена на рисунке 31, где 1 - центральный силовой элемент (стеклопластик), 2 - оптический модуль, 3 - стандартное одномодовое окрашенное оптическое волокно, 4-внутримодульный и межмодульный гидрофобный заполнитель, 5 - бандажная лента и нити, 6 - внутренняя оболочка (полиэтилен, ПА-12), 7-упрощающие нити (арамид), 8 - внешняя оболочка (полиэтилен).

Кабель марки ОКМС полностью выполнен из диэлектрических материалов и имеет внутреннюю и внешнюю оболочку из полиэтилена защитные покровы выполнены из арамидных нитей. В сердечнике кабеля расположены 6 или 8 оптических модулей. Внешний и внутренний диаметр модулей составляет соответственно 2,0/1,3 мм, 2,4/1,6 мм и 3,0/1,9 мм. В каждом оптическом модуле располагаются от 2 до 12 одномодовых оптических волокон. Таким образом, всего в кабеле может быть уложено до 96 волокон. Кабели типа ОКМС рассчитаны на рабочую температуру -60...+ 70°С, растягивающие нагрузки до 10 кН, ветровые нагрузки со коростью ветра до 43 м/с.

ОКМТ - кабель магистральный для прокладки в пластмассовых кабельных пневмотрубопроводах и эксплуатации при температуре окружающей среды -40...+70°С. Кабели марки ОКМТ имеют конструкцию, аналогичную ОКМС. Они рассчитаны на меньше растягивающие усилия, но обладают большей стойкостью к раздавливающим нагрузкам.

ОКЗ - кабель внутризоновый с броней из стальной гофрированной ленты, предназначен для прокладки в телефонную канализацию и эксплуатацию при температуре окружающей среды -60... +60°С.

Конструкция кабеля представлена на рисунке 32, где 1 - центральный силовой элемент, 2 - оптический модуль, 3 - стандартное одномодовое окрашенное оптическое волокно, 4 - гидрофобный заполнитель, 5 - бандажная лента и нити, 6 - внутренняя оболочка (полиэтилен), 7 - водоблокирующие элементы, 8-броня (стальная гофрированная лента), 9 - внешняя оболочка (полиэтилен).

Рисунок 32 - Конструкция кабеля ОКЗ

Главной отличительной особенностью кабеля марки ОКЗ является обязательное наличие брони из стальной гофрированной ленты, обеспечивающей необходимую защиту сердечника кабеля от грызунов.

Основные технические характеристики ОК ЗАО «Трасвок»

Число оптических волокон в кабелях от 6 до 96. Коэффициент затухания: при длине волны 1310 нм не более 0,35 дБ/км, при длине волны 1550 нм не более 0,22 дБ/км. Длина волны отсечки в кабеле 1150- 1270 нм. Хроматическая дисперсия: для диапазона волн (1285-1330) нм не более 3,5 пс/нм-км, для диапазона волн (1525-1575) нм не более 18 пс/нм-км.

Номинальный наружный диаметр оптических модулей 2; 2,4; 3 мм. Число оптических модулей - 6,8. Температура эксплуатации -60...+ 70°С. Строительная длина кабеля ОКМС, ОКМТ - не менее 4 км, ОКЗ - 2 км.

Срок службы не менее 25 лет. Минимальная температура монтажа -10°С.

Литература

Осн.4. [стр. 95]

Доп. 4. [стр. 32].

Контрольные вопросы

) Городские кабели типов ОК.

) Для чего предназначены оптические подвесные кабели?

) Какие особенности кабеля, встроенного в гроззощаитного троса?

Лекция 29. Зарубежные оптические кабели

За рубежом оптические кабели производятся самой широкой номенклатуры, практически для любых применений, однако 90% из них - это ОК на основе одномодовых ОВ. Вместе с тем в местных, объектовых и бортовых ВОЛП, а также в различных системах автоматики, довольно широкое применение находят и ОК на основе многомодовых ОВ.

Анализ конструкций магистральных оптических кабелей показывает, что практически все они имеют, по крайней мере, одну металлическую оболочку (рисунок 33), (где 1 - внешняя оболочка; 2 - гофрированная броня; 3 - внутреннее полиэтиленовое покрытие; 4-упрочняющие элементы; 5-центральный силовой элемент; 6-полимерная трубка; 7-оптические волокна; 8-гидрофобный заполнитель). Кабели, предназначенные для прокладки в грунт и под водой имеют двойное бронирование, как кабель американского производства (рисунок 34) из двух (или даже трех) слоев стальной проволоки. На рисунок 33,а показано сечение кабеля, а на рисунок 34,б - общий вид кабеля: 1 - стопка плоских лент из оптических волокон; 2 - защитное покрытие; 3 - внутреняя полиэтиленовая оболочка; 4 - пластмассовые ленты; 5 - силовые элементы: 6 - полиэтиленовая оболочка. В магистральных кабелях ряда фирм металлическая оболочка выполнена в виде повитой стальной ленты.

Рисунок 33 - Кабель с одной металлической оболочкой

Рисунок 34 - Кабели для прокладки в грунт

В оптических линиях связи большой протяженности ОК может быть не только проложен в грунте, но и подвешен на опорах ЛЭП или на контактных опорах железных дорог. Для таких ВОЛП ряд зарубежных фирм разработали и производят подвесные ОК.

ОК содержат до 4-5 модулей, в которых может размещаться от 12 до 36 волокон. При необходимости количество волокон в модуле может быть увеличено.

Достаточно широкое применение в зоновых, местных и объектовых сетях нашли ОК с профильными сердечниками, которые одновременно играют роль силового несущего элемента и модулей. Роль модулей в таком кабеле играют продольные пазы в сердечнике, скрученные вокруг оси сердечника с определенным шагом. ОК с профильными сердечниками подразделяются на три группы: с одним ОВ в пазу (рисунок 35,а); с несколькими волокнами в одном пазу (рисунок 35,б); с несколькими профильными стержнями, повитыми вокруг центрального несущего стержня (рисунок 35,в) каждый профильный сердечник этого кабеля имеет десять продольных пазов, в каждом из которых находится одно оптическое волокно. Для увеличения прочности ОК в центре стержня размещен трос из 19 стальных проволок диаметром 0,25 мм. Сердечник с пазами покрыт полимерной и бумажной лентами, а поверх них нанесена металлическая оболочка, которая, в свою очередь, покрыта внешней полиэтиленовой оболочкой.

Рисунок 35 - ОК с профильным сердечником

Литература

Осн.3. [стр. 95]

Доп. 3. [стр. 32].

Контрольные вопросы

) Анализ конструкций магистральных оптических кабелей.

) Кабель с одной металлической оболочкой.

) Особенные характеристики кабелей для прокладки в грунт.

Лекция 30. Объектовый кабель

Количество ОВ в пазу может быть больше одного: 2, 3, 5 и т.д. Также различным может быть и количество пазов.

ОК с профильными сердечниками относительно сложны в производстве, что существенно повышает их стоимость. В то же время они не имеют больших преимуществ по сравнению с ОК повивного типа. Поэтому в последние 2-3 года интерес к ОК с профильными сердечниками снизился. Этому способствовало и то, что технология их разделки, например, при сращивании ОК, более сложна, чем Для кабелей повивного типа.

Городские кабели выпускаются большой номенклатуры. Городские ОК могут иметь усиливающий элемент из стального стержня с покрытием полиэтиленом. На рис 36 показан оптический кабель городского типа. Этот кабель выполнен на основе одномодовых ОВ для работы во 2-м и 3-м окнах прозрачности с броней из гофрированной стальной ленты.

Рисунок 36 - Городской тип кабеля

На рисунке 37 представлен другой тип городского кабеля. Он предназначен для прокладки в городской кабельной канализации, хотя может быть использован и для подвески на опорах. Конструктивные данные этого кабеля следующие: сердечник - пластиковый со спиралеобразным каналом для волокон с гидрофобным заполнителем, кабель имеет герметичное покрытие. Экранирование осуществлено алюминиевой фольгой, ламинированной с обеих сторон полиэтиленом; усиливающие элементы - две стальные проволоки в пластиковой оболочке; броня из стальных проволок; внешняя оболочка выполнена из черного полиэтилена. Городские ОК также могут быть как армированные металлическими упрочняющими элементами, или не армированы, без металла.

Рисунок 37 - Другой тип городского кабеля

Для линий связи внутри различных предприятий, объектов, зданий, а также для внутристоечного монтажа, различными фирмами производится широкий спектр типов ОК. Эти кабели могут содержать как одномодовые, так и многомодовые ОВ, количество волокон в таком кабеле - одно или два.

В объектовом кабеле, показанном на рисунке 38, каждое из двух оптических волокон (1) имеет буферное покрытие (2) и силовой элемент из арамидных нитей (3), размещенных внутри индивидуальных трубчатых полимерных оболочек (4), которые соединены перемычкой.

Рисунок 38 - Объектовый кабель

Рисунок 39 - Другой объектовый кабель

На рисунке 39 представлена конструкция объектового ОК, в котором каждое из оптических волокон (1) имеет буферное покрытие (2), силовой элемент из арамидных нитей (3), размещенных внутри общей оболочки (4).

Литература

Осн.3. [стр. 95]

Доп. 3. [стр. 32].

Контрольные вопросы

) Характеристики ОК с профильным сердечником.

) Тип городского кабеля.

) Характеристики объектового кабеля.

Планы практических (семинарских) занятий

Практическая работа 1. Изучить построения оптических кабелей и электрических характеристик (2 часа)

Задание: Построение кабелей. Электрические характеристики.

Цель работы: Изучить построения оптических кабелей и место использования их видов, определить и анализировать электрические характеристики.

Методические рекомендации: Привести электрические характеристики..

Основная литература 10[37-43].

Контрольные вопросы:

1.      Параметры лучевой проводимости?

2.      Как определяется длина волн?

.        Принципы построения оптических кабелей.

.        Привести классификацию оптических кабелей.

.        Какие виды бывают светового луча.

Практическая работа 2. Исследовать качество соединения оптических волоконн (2 часа)

Задание: Узнать структуру оптических кабелей, определить с чего пявляется расход энергии при подключении оптических кабелей. Изучить соеднинение оптических волоконн, определить их преимущества и недостатки. Определить влияние на коэффициент подачи сигнала при подключении оптических волоконн.

Цель работы: Определить качество подключения и связи оптических волоконн, т.е. определить точное соединение.

Методические рекомендации: Подключение работы оптических кабелей относится к очень ответственным работам. Потому, что затухание лучевого сигнала зависит от качества подключения.

Основная литература 3[37-43].

Контрольные вопросы:

. Виды оптических волоконн и их отличие?

.Как готовят для подключения оптических кабелей?

. Виды волоконн подключения оптических волоконн и их влияние на проводимого сигнала?

. Как определяют качество подключения волоконн?

. Структура прибора подключения волоконн?

. Метод определения затухания волоконн?

. Структура прибора определения затухания и принцип его работы?

. В каких положениях используют метод подключения и для чего.

Практическая работа 3. Источники оптического излучения и исследование характеристики приемника (2 часа)

Задание: Изучить структурную схему макета. Изучить типы оптических источников (ОИ) и фотоприемника (ФП). Привести измерения при определении ОК и ФП.

Цель работы: Ознокомление волоконно-оптических кабелей связи (ВОКС), исследовать условие внедрения излучения в волоконно-оптических кабелей связи, исследовать характеристики оптических источников и фотоприемников (ФП).

Методические рекомендации: Начинать с излучения структурной схемы оптической связи.

Основная литература 5[37-43].

Контрольные вопросы:

. Типы ОИ и краткая характеристика.

. какие особенности оптических источников?

. Чем определяется эффективность оптического излучения оптических волоконн?

. Типы «П» и краткая характеристика.

Практическая работа 4. (2 часа)

Задание: Исследовать структуру кабельного соединения и ВОКС. Ознакомление элементами затухания ВОКС. Определить коэффициент затухания и расходы соединения ВОКС.

Цель работы: Определить коэффициент затухания соединения реттег3ш участка волоконно-оптических кабелей связи.

Методические рекомендации: Ознакомление конструкцией ВОКС, факторы, определяющие расход энергии в оптическом волокне.

Основная литература 7[37-43].

Контрольные вопросы:

. Чем определяется затухание ВОКС?

. Как обеспечивается длина соединения ВОКС?

. Величина измерения коэффициента затухания ВОКС.

. В чем суть затухания?

Практическая работа 5. Исследование дисперсии оптического волокна (2 часа)

Задание: Изучить теоретические условия появления дисперсии одномодового и многомодового волокна.

Цель работы: Исследовать и изучить дисперсию передачи импульсного сигнала в волокне.

Методические рекомендации: Первоначально ознакомление с основными характеристиками мод, направленные в оптическое волокно.

Основная литература 7[47-53].

Контрольные вопросы:

. Как понять модовую дисперсию?

. В каком режиме нужна частотная дисперсия?

. К чему равна связь между двуслойного и градиентного волокна?

. Чем определяется импульс расширения в участке регенерации?

. При использовании какого волокна потребуется импульс расширения преобразователя.

Практическая работа 6. Генератор прямоугольного импульса и двухлучевой осциллограф (2 часа)

Задание: Ознакомление приборами: генератор прямоугольного импульса и двухлучевой осциллограф.

Цель работы: Исследовать работу генератора прямоугольного импульса и двухлучевого осциллографа.

Методические рекомендации: Напоминать сигнал, передаваемый по оптическому волокну состоит из групп мод и модулированный сигнал состоит из неограниченного частотного составляющего спектра.

Основная литература 7[47-53].

Контрольные вопросы:

. Как понять одномодовую дисперсию?

. К чему равна связь между двуслойного и градиентного волокна?

. Какие измерения показывает двухлучевой осциллограф?

. При использовании чего потребуется генератор прямоугольного импульса.

Практическая работа 7. Измерить цифровую апертуру оптического волокна (2 часа)

Задание: Ознакомиться аппаратурами измерения апертуры двухслойного оптического волокна.

Цель работы: Измерение апертуры двухслойного оптического волокна и анализировать полученные результаты.

Методические рекомендации: Изучить структуру оптического кабеля и физические процессы оптического волокна.

Основная литература 9 [57-63].

Контрольные вопросы:

.Как определяется апертура двухслойного оптического волокна и как она характеризуется?

. В чем суть измерения апертуры?

Практическая работа 8. Измерить цифровую апертуру оптического волокна (2 часа)

Задание: Ознакомиться аппаратурами измерения цифровой апертуры оптического волокна.

Цель работы: Измерение цифровой апертуры двухслойного оптического волокна и анализировать полученные результаты.

Методические рекомендации: В первую очередь изучить структуру оптического кабеля и физические процессы оптического волокна.

Основная литература 9 [57-63].

Контрольные вопросы:

.Как определяется цифровая апертура двухслойного оптического волокна?

. Как анализировать полученные результаты?

Практическая работа 9 Защита устройств связи от внешних электромагнитных влияний (2 часа)

Задание: Узнать характеристики внешних опасных влияний. Знать меры защиты внешних электромагнитных влияний.

Цель работы: Изучить методы защита устройств связи от внешних электромагнитных влияний и исследовать приборы.

Методические рекомендации: Макет, предназначенный для исследования электрической характеристики устройств защиты от опасного тока и напряжения и их составляющие: двуэлектродное газовое разрядное устройство Р-350; трех лектродное газовое разрядное устройство Р-35; вентельное разрядное устройство; АВМ.

Основная литература 8[37-43].

Контрольные вопросы:

. Какие влияния оказывают внешние электромагнитные поля к линиям связи?

. Меры защиты от внешних факторов?

. Какое электромагнитное (электрическое, магнитное) поле влияет на подземные кабели?

. Задачи ЗК, ДК?

Практическая работа 10. Защита устройств связи от внешних электромагнитных влияний (2 часа)

Задание: Исследовать электрические характеристики устройств опасного тока и напряжения.

Цель работы: Изучить методы защита устройств связи от внешних электромагнитных влияний и исследовать приборы.

Методические рекомендации: Макет, предназначенный для исследования электрической характеристики устройств защиты от опасного тока и напряжения и их составляющие: двуэлектродное газовое разрядное устройство Р-350; трех лектродное газовое разрядное устройство Р-35; вентельное разрядное устройство; АВМ.

Основная литература 8[37-43].

Контрольные вопросы:

. Какие влияния оказывают внешние электромагнитные поля к линиям связи?

. Какое электромагнитное (электрическое, магнитное) поле влияет на подземные кабели?

. Задачи двухэлектродного газового разрядного устройства?

Практическая работа 11. Защита кабелей от коррозии (4 часа)

Задание: Виды коррозии кабелей и изучить их появление. Уметь проводить измерения определения коррозии кабелей. Защита кабеля с дренажными устройствами.

Цель работы: Определить виды коррозии кабели, и их появление, исследовать методы защиты.

Методические рекомендации: Бывают некоторые виды коррозии кабелей: от глины, от электрического тока, от отмосферы и межкристальное бузылу из-за скачков кабеля.

Основная литература 8[37-43].

Контрольные вопросы:

.        Что такое коррозия?

.        Причины коррозии.

Практическая работа 12. Защита кабелей от коррозии (2 часа)

Задание: Уметь методы защиты от коррозии. Защита слоя кабеля с помощью катодной станции. Измерить элкектрический ток проводимый по кабелю.

Цель работы: Определить виды коррозии кабели, и их появление, исследовать методы защиты.

Методические рекомендации: Бывают некоторые виды коррозии кабелей: от глины, от электрического тока, от отмосферы и межкристальное бузылу из-за скачков кабеля.

Основная литература 8[37-43].

Контрольные вопросы:

.        Методы защиты от коррозия?

.        Причины коррозии.

Практическая работа №13. Определить расстояние до испорченного волоконно оптического кабеля (2 часа)

Задание: Ознакомление макетами измерительных приборов.

Цель работы: Ознакомление методом определения импульсом неисправного волоконно-оптического кабеля связи.

Методические рекомендации: Самый распространенный несиправный ВОКС это - переломение оптического волокна, поэтому надо избавиться от быстрее неисправного волоконно-оптические линии связи.

Основня литература 6[37-43].

Контрольные вопросы:

. Важность определения разъединения ВОКС методом импульса?

. Объяснить структурную схему импульсного рефлектометра.

. Какие факторы относятся к точности определения разъединения методом импульса?

Практическая работа №14. Определить расстояние до испорченного волоконно оптического кабеля (2 часа)

Задание: Проводить измерение расстояние неисправности до волоконно оптического кабеля связи.

Цель работы: Ознакомление методом определения импульсом неисправного волоконно-оптического кабеля связи.

Методические рекомендации: Самый распространенный несиправный ВОКС это - переломение оптического волокна, поэтому надо избавиться от быстрее неисправного волоконно-оптические линии связи.

Основня литература 6[37-43].

Контрольные вопросы:

. Что такое переломение оптического сигнала?

. Неисправная волоконно-оптическая линия связи.

. Как определяется неисправный волоконно-оптический кабель связи?

Практическая работа №15. Экспериментировать импульсным методом линии связи (2 часа)

Задание: Изучить теоретические основы импульсного метода. Ознакомиться заданной последовательностью, определить скорость передачи импульса. Ознакомиться устройством и принципом измерения импульсного метода, определить параметры. Исследовать заданный цепь устройством, проводить осцилограмму по причине. Построить график зависимости от вида разворота импульса, длительности передаваемого импульса, расстояния неисправного участка, входного сопротивления неисправного участка и волнового сопротивления.

Цель работы: Используя импульсного сигнала, изучить методы определения неисправности в линии связи.

Методические рекомендации: Импульсный метод основан на обратное шагылысу электромагнитной энергии, потому что напряжение в том месте не равно волнового сопротивления.

Основная литература 4[37-43].

Контрольные вопросы:

. Основа измерения методом импульса.

. Закономерность распространения импульсва по линии связи.

. Параметры импульсного измерителя.

. Чем определяется самая длинная и короткая граница измеряемая линия связи?

. для чего нужна высота подаваемого импульса и чем ограничивается?

.Длительность к чему равна передаваемого импульса и чем ограничивается?

Планы занятий в рамках самостоятельной работы обучающихся под руководством преподавателя (СРОП)

Планы занятий в рамках самостоятельной работы обучающихся (СРО)

Тестовые задания для самоконтроля с указанием ключей правильных ответов

Тестовые вопросы

. Что такое оптическое волокно?

A) Среда передачи, используемая в современных наземных сетях связи.

B) Среда передачи, используемая в зданиях.

C) Среда передачи, используемая в столбах.

. Основной недостаток ВОСП.

A) Их незащищенность.

B) Малая скорость передачи.

C) Большие габариты

. Оптическое волоконо состоит из:

A) сердцевины и отражающей       оболочки;

B) только из сердцевины;

C) из ядра, сердевины и экрана.

. Абсолютный уровень преломления рассчитывается по формуле:

A) .

B) .

C) .

5. ОВ, характерное для определенной длины волны, нормализованная частота V:

A) ,

B) ,

C) ,

. Оптические разъемы и неразъемное соединение (сращивание) волокон используется:

A) для соединения секций волокна (кабеля);

B) для соединения шнуров;

C) для соединения раъемов;

.Короткий по размеру одноволовонный кабель, присоединяемый обычно к устройствам типа: источник света или детектор светового сигнала:

A) Соединительный шнур;

B) Оптическое волокно;

C) Соединительная розетка;

. Оптический разъем состоит:

A) из трех основных частей;

B) из двух основных частей;

C) из четырех основных частей.

. Процесс сварки использует:

A) электрическую дугу для разогрева и сваривания;

B) электрический шнур для разогрева;

C) электрический шнур для сваривания;

. ЧМ импульс, или чирп, может ограничить характеристики систем передачи:

A) на длине волны 1550 нм;

B) на длине волны 150 нм;

C) на длине волны 10 нм;

.Увеличивает показатель преломления кварцевого стекла:

A) Германий и фосфор;

B) Германий и фтор;

C) Германий и бор;

. Число мод, распространяющихся по волокну рассчитывается по формуле:

A) M=V2/2,

B) M=V2,

C) M=2,

. Затухание оптического волокна длиной L рассчитывается по формуле:

A)

B)

C)

. Высококачественные волокна первого окна имеют пиковую длину волны:

A) 850 нм;

B) 600 нм;

C) 10 нм.

. Номинальная длительность испытания воловна на прочность:

A) 1 с;

B) 3 с;

C) 5 с.

. Функция регенерации выполняется полностью:

A) цифровым передатчиком и приемником;

B) аналоговым передатчиком;

C) аналоговым приемником.

. В оптическом усилителе сигнал усиливается:

A) на 20-25 дБ;

B) на 30-35 дБ;

C) на 35-40 дБ.

. Существуют типы усилителей на лазерных диодах:

A) с блокировкой инжекции, типа Фабри-Перо и типа бегущей волны.

B) типа Фабри-Перо, типа бегущей волны и с неблокировкой инжекций;

C) типа Фабри-Перо.

. Относительная фаза зависит от длины и коэффициента пропускания, вычисляется по формуле:

A) T(v) = cos2(πυτт),

B) T(v) = cos2(τт),) T(v) = cos2(π),

20) Устройство интерливинга разделяет каналы, которые подлежат мультиплексированию, на группы:

A) нечетные и четные конфигурации интерливинга 1х2:

B) нечетные и четные конфигурации интерливинга 1х4;

C) нечетные и четные конфигурации интерливинга 1х6;

. Цветовой код электрической силовой линии и кабельных коллекторов:

A) красный;

B) желтый;

C) оранжевый.

. Цветовой код газопроводов, бензо- нефтепроводов, паропроводов:

A) желтый;

B) красный;

C) синий.

. Цветовой код водопроводов, ирригационных линий, линии подачи цементного раствора:

A) голубой;

B) красный;

C) зеленый.

. Цветовой код канализационных и дренажных коллекторов:

A) зеленый;

B) красный;

C) синий.

. Цветовой код линии связи , включая ВОК:

A) оранжевый;

B) синий;

C) красный.

. Цветовой код предполагаемых раскопок:

A) белый;

B) синий;

C) красный;

. Цветовой код маркировки временных обследований:

A) мерцающий розовый;

B) мерцающий синий;

C) мерцающий зеленый.

. Зоновые оптические кабели служат для организации многоканальной связи с дальностью связи:

A) до 250 км;

B) до 350 км;

C) до 450 км.

. В городских оптических кабелях длина волны составляет:

A) 0,85 и 1,3 мкм;

B) 0,9 и 2,0 мкм;

C) 1,0 и 2,5 мкм.

. В кабелях для промышленных потребителей обычно используются:

A) 2,4,6,8,10 или 12 светодиодов:

B) 2, 10 светодиодов;

C) 2, 20 светодиодов;

Ответы к тестовым вопросам

Перечень экзаменационных вопросов по пройденному курсу

1.      Где применяется светолучевой диод и лазер?

.        Модуляционное пространство светового диода и лазера?

.        Структура оптических систем связи?

.        Парамтеры оптических систем связи?

.        С помощью каких устройств превращают механический сигнал в оптический и наоборот?

.        Классификация оптико-волоконных кабелей?

7.      Оптическое волокно - среда передачи, используемая в современных наземных сетях связи.

8.      Структурная схема волоконно-оптической линии передачи

.        Волоконные световоды из особо чистого кварцевого стекла (ОСЧ-кварцевого стекла)

.        Структурная схема ВОЛП

11.    Источник оптического излучения.

.        Приемник оптических сигналов.

13.    Модель волоконно-оптической системы передачи

14.    Сравнение по методу аналогий

.        Электрооптический преобразователь (ЭОП)

.        Детектор оптического сигнала

.        Приемник или демодулятор модема

.        Схема формирования выходного сигнала

.        Светоизлучающий диод - СИД.

.        Лазерный диод - ЛД.

.        Порог приемника - уровень входной мощности,

.        Сравнение влияния разных причин на ухудшение показателей различных систем передачи

.        Затухание оптического волокна в зависимости от длины волны

24.    Волоконно-оптический световод как среда передачи

.        Основная конструкция оптического волокна

.        Конструкция и классификация оптических волокон

.        Типы оптических волокон

.        Конструкция и профили показателей преломления: ступенчатый и градиентный для многомодового волокна

.        Распространение различных мод по оптоволокну

.        Микроизгибы и макроизгибы

.        Характеристики оптического волокна

.        Оптические характеристики.

.        Механические характеристики.

.        Процесс распространения света в оптических волокнах.

.        Лучевой подход

.        Распространение света в ступенчатых оптических волокнах.

.        Входная угловая и числовая апертура световода.

.        Модовая дисперсия.

.        Волновой анализ распространения света в волокне

.        Типы и число направляемых волн (мод).

.        Основная структура оптического разъема

.        Иллюстрация физического контакта (PC) в волоконно-оптическом разъеме

.        Неразъемное соединение волокон

.        Лазерные диоды

.        Частотно-модулированный импульс (чирп)

.        Оптические приемники

.        Упрощенная блок-схема функционирования приемника

.        Затухание световых сигналов

.        Зависимость затухания одномодового волокна от длины волны

.        Дисперсия импульсных световых сигналов

.        Материальная дисперсия - главная составляющая дисперсии в системах с одномодовым волокном.

.        Потери и ослабление сигнала в оптическом волокне

.        Нелинейные эффекты

54.    Обзор нелинейных оптических эффектов в стеклянном волокне

55.    Выбор оптических фильтров по их дисперсионным характеристикам

.        Характерные параметры одномодового ОВ

.        Характеристики передачи

.        Коэффициент затухания.

.        Полоса пропускания и хроматическая дисперсия.

.        Геометрические характеристики

.        Механическая прочность и срок службы оптических волокон

63.    Упрощенная блок-схема цифрового оптического регенератора

64.    Волоконно-оптические усилители

.        Усилители на лазерных диодах.

.        Критические рабочие параметры усилителей типа EDFA

.        Рамановские усилители

.        Возрастание требований на пропускную способность ВОСП

.        Концептуальная блок-схема двухволновой системы WDM. На начальном этапе эти две волны соответствовали: λ1 = 1310 нм и λ2 = 1550 нм

.        Фильтры Маха-Цендера

.        Типичные характеристики систем WDM

72.    Прокладка кабеля к грунт

73.    Планирование трассы и прокладка ВОЛС

.        Максимальное натяжение протягивания

.        Минимальные радиусы изгиба

.        Подводные кабельные системы

.        Пример горизонтальной прокладки

.        Пример вертикальной (магистральной) прокладки

.        Топология сети

.        Замечания по поводу прокладки волоконно-оптического кабеля

.        Характеристики передачи оптического разъема

82.    Выбор кабеля и его использование

83.    Показатели корпоративной сети.

.        Классификация и конструкция оптических кабелей

.        Классификация ОК для внешней прокладки

.        Классификация OK для внутренней прокладки

.        Маркировка оптических кабелей

88.    Цифровая маркировка

.        Структура маркировки кабелей наружной прокладки

90.    Требования к ОКС

91.    Обозначения ОКС

92.    Отечественные оптические кабели

93.    Городские кабели типов ОК

94.    Зарубежные оптические кабели

.        Кабели для прокладки в грунт

.        Кабель с одной металлической оболочкой

.        Интерферометр Фабри-Перо

98.    Важность определения разъединения ВОКС методом импульса?

.        Объяснить структурную схему импульсного рефлектометра.

.        Какие факторы относятся к точности определения разъединения методом импульса?

Глоссарий по курсу

АМ - амплитудная модуляция - процесс изменения амплитуды несущего колебания, соответствующего изменению непрерывного информационного сигнала.

БЗУ - буферное запоминающее устройство - предназначено для промежуточного хранения информации при обмене ею между устройствами ЭВМ, работающими с разными скоростями.

ВИМ - временно-импульсная модуляция - Модуляцию ФИМ и ЧИМ объединяют во временно-импульсную (ВИМ). Между ними существует связь, аналогичная связи между фазовой и частотной модуляцией синусоидального колебания. Фазово-импульсная модуляция -один из трёх основных способов цифрового модулирования информации в последовательность импульсов, Частотно-импульсная модуляция-вид импульсной модуляции, при которой необходимое значение выходного параметра добивается путём изменения частоты поступления импульсов (фиксированной амплитуды и длительности) на входе ключевого элемента.

ВРК - временное разделение каналов - способ использования радиочастот, когда в одном частотном интервале находятся несколько абонентов, разные абоненты используют разные временные слоты (интервалы) для передачи. Является приложением мультиплексирования канала с разделением по времени (TDM - Time Division Multiplexing) к радиосвязи.

ДМ - демодулятор - электронный узел устройств, отделяющий полезный (модулирующий) сигнал от несущей составляющей.

ДШ - дешифратор (декодер) - комбинационное устройство, преобразующее n-разрядный двоичный, троичный или kn-ичный код в k-ичный одноединичный код, где - основание системы счисления. Логический сигнал появляется на том выходе, порядковый номер которого соответствует двоичному, троичному или k-ичному коду.

ИМ - импульсная модуляция - способ модуляции гармонических колебаний, в результате которого они принимают вид кратковременных посылок-импульсов. Импульсной модуляцией называют также изменение параметров видеоимпульсов (высоты, длительности и положения во времени), модулирующих высокочастотные колебания.

ИКМ - импульно-кодовая модуляция - модуляция, в которой аналоговый сигнал кодируется сериями импульсов. Импульсно-кодовая модуляция используется в устройствах кодирования-декодирования, а также в телефонных сетях.

Кл - ключ - электрический коммутационный аппарат, служащий для замыкания и размыкания электрической цепи.

КОС - комбинированная обратная связь - собственно изодромная связь с дополнительным механизмом, который можно кратко назвать механизмом неравномерности.

КРК - кодовое разделение каналов - разделение каналов по кодам. Каждый канал имеет свой код, наложение которого на групповой сигнал позволяет выделить информацию конкретного канала.

ЛС - линии связи - это промежуточная аппаратура и физическая среда, по которой передаются информационные сигналы (данные).

МСП - многоканальные системы передачи - технические устройства и физическая среда, в которых электрические сигналы распространяются от передатчика к приёмнику.

МТС - многоканальные телекоммуникационные системы - это совокупность технических средств, способных передавать информацию из одной точки в другую, которые объединяются общими сетевыми ресурсами.

ОВ - оптическое волокно - среда передачи, используемая в современных наземных сетях связи. Оно позволяет передавать огромное количество информации.

ОК - Оптический кабель состоит из скрученных по определенной системе оптических волокон из кварцевого стекла, заключенных в общую защитную оболочку. При необходимости кабель может содержать силовые (упрочняющие) и демпфирующие элементы. В зависимости от назначения, условий прокладки и эксплуатации разработаны и производятся оптические кабели (в дальнейшем - ОК) разных типов и конструкций.

ОС - обратная связь - это процесс, приводящий к тому, что результат функционирования какой-либо системы влияет на параметры, от которых зависит функционирование этой системы. Другими словами, на вход системы подаётся сигнал, пропорциональный её выходному сигналу (или, в общем случае, являющийся функцией этого сигнала). Часто это делается преднамеренно, чтобы повлиять на динамику функционирования системы.

ОФМ - относительно-фазовая модуляция - фазовая модуляция, не связанная с начальной фазой несущего сигнала.

Рг - регистр - последовательное логическое устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними.

РОС - решающая обратная связь - при которой по обратному каналу передачи данных передается информация о сигнале, поступившем по прямому каналу передачи данных, с принятием решения на стороне приемника.

РРЛ - радиорелейные линии - система автоматически действующих приёмо-передающих радиостанций, расположенных друг от друга на расстоянии прямой видимости их антенн (50-70 км) и осуществляющих прием радиосигналов от соседней станции, усиление их и передачу на следующую станцию, что позволяет вести одновременно несколько сот телефонных разговоров, передавать телевизионные программы и осуществлять телеграфную связь.

РС - Радиосвязь - электросвязь, осуществляемая посредством радиоволн. Передача сообщений ведется при помощи радиопередатчика и передающей антенны, а прием - при помощи приемной антенны и радиоприемника. В радиопередатчике формируются радиосигналы - электрические колебания несущей частоты, промодулированные по амплитуде, частоте или фазе в соответствии с передаваемым сообщением.

Сплиттер (splitter) - устройство, имеющее обычно один входной порт и несколько выходных портов. Он может быть использован для двунаправленной передачи или для распределения потока на два или большее число устройств или конечных пользователей.

СПД - Системы передачи данных - физический перенос данных (цифрового битового потока) в виде сигналов от точки к точке или от точки к нескольким точкам средствами электросвязи по каналу связи, как правило, для последующей обработки средствами вычислительной техники.

Сч - счетчик - прибор, измеряющий количество расходуемого вещества, излучения и т. п. в стандартных единицах. Например, газовый счетчик измеряет количество газа, расходуемого за определенное время.

ФМ - фазовая манипуляция - один из видов фазовой модуляции, при которой фаза несущего колебания меняется скачкообразно в зависимости от информационного сообщения.

ФИМ - фазово-импульная манипуляция - один из трёх основных способов цифрового модулирования информации в последовательность импульсов. Одним из способов осуществления фазово-импульсной модуляции сигнала является задержка (или упреждение) появления импульса по отношению к началу периода на время, соответствующее значению информационных символов (модулируемого сигнала).

ФВЧ - фильтр верхних частот - электронный или любой другой фильтр, пропускающий высокие частоты входного сигнала, при этом подавляя частоты сигнала меньше, чем частота среза. Степень подавления зависит от конкретного типа фильтра.

ФНЧ - фильтр нижних частот - один из видов аналоговых или электронных фильтров, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала ниже некоторой частоты (частоты среза), и уменьшающий (подавляющий) частоты сигнала выше этой частоты. Степень подавления каждой частоты зависит от вида фильтра. В отличие от фильтра нижних частот (НЧ), фильтр верхних частот пропускает частоты сигнала выше частоты среза, подавляя низкие частоты.

ЧМ - частотная модуляция - вид аналоговой модуляции, при котором информационный сигнал управляет частотой несущего колебания. По сравнению с амплитудной модуляцией здесь амплитуда остаётся постоянной.

ЧМ импульс - или чирп, может ограничить характеристики систем передачи на длине волны 1550 нм даже при использовании DFB-лазеров с большим (порядка 40 дБ) значением MSR (коэффициента подавления моды).

ЧИМ - частотно-импульсная модуляция - вид импульсной модуляции, при которой необходимое значение выходного параметра добивается путём изменения частоты поступления импульсов (фиксированной амплитуды и длительности) на входе ключевого элемента.

ЧРК - частотное разделение каналов - разделение каналов осуществляется по частотам. Так как радиоканал обладает определённым спектром, то в сумме всех передающих устройств и получается современная радио связь.

ШИМ - широтно-импульсная модуляция - приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) к действительным бинарным сигналам (с двумя уровнями - вкл/выкл), так, что, в среднем, за некоторый отрезок времени, их значения равны.

QАМ - квадратурно-импульсная модуляция - разновидность амплитудной модуляции сигнала, которая представляет собой сумму двух несущих колебаний одной частоты, но сдвинутых по фазе относительно друг друга на 90 градусов, каждая из которых модулирована по амплитуде своим модулирующим сигналом.

∆ - дельта отсчет - в каждый момент отсчёта сигнал сравнивается с пилообразным напряжением на каждом шаге дискретизации. Если отсчёт сигнала превышает по амплитуде пилообразное напряжение, то последнее нарастает до следующей точки дискретизации, в противном случае оно спадает. Преимущество дельта-модуляции по сравнению, например, с ИКМ, которая также образует бинарный сигнал, заключается не столько в реализуемой точности при заданной частоте дискретизации, сколько в простоте реализации.

ЦСП - цифровые системы передачи - Цифровая система передачи, соответствующая первой ступени иерархии, называется первичной; в этой ЦСП осуществляется прямое преобразование относительно небольшого числа первичных сигналов в первичный цифровой поток. Системы передачи второй ступени иерар-хии объединяют определенное число первичных потоков во вторичный цифровой поток и т. д.

Энтропия - мера неопределённости источника сообщений, определяемая вероятностями появления тех или иных символов при их передаче.

Ниеталин Жаксылык Ниеталович

Ниеталина Жаннат Жаксылыковна

Куттыбаева Айнур Ермеккалиевна

оптоволоконные системы в телекоммуникациях

Учебно - методический комплекс дисциплины

(для специальности 5В071900 - радиотехника, электроника и телекоммуникации)

Протокол заседания кафедры

«Радиотехника, электроника и

телекоммуникации» № 6 «1» февраля 2012 г.

Протокол заседания УМС института

«Институт информационных и

телекоммуникационных технологий» № 5 «16» января 2012 г.

Подписано в печать___.___.20___г.

Тираж____экз. Формат 60х84 1/16. Бумага типографская №1.

Объем ___п.л. Заказ №___ . Цена договорная

Издание Казахского национального технического университета

имени К.И. Сатпаева

Информационно-издательский центр КазНТУ

г.Алматы, ул. Сатпаева, 22