Типы покрытий и элементов ОК

 

Для защиты ОВ от внешних воздействий (механическое давление, изгибы и др.), на ОВ обязательно накладывается покрытие, как правило, двухслойное, в частности, на основе акрилата. Возможно применение и других материалов. Толщина покрытия небольшая – всего 60 мкм.

ОВ с защитным покрытием является «главным действующим лицом» ВОК, аналогично изолированной токопроводящей жиле электрического кабеля связи. Стандартизированный номинальный диаметр ОВ 245 мкм.

С целью идентификации ОВ на покрытие наносится слой краски толщиной 3-6 мкм. Надежность красителя с покрытием обеспечивается интенсивным ультрафиолетовым облучением.

Для обеспечения стабильности работы ОВ и уменьшения опасности их разрыва под воздействием продольных и поперечных сил волокна защищают первичными и вторичными покрытиями.

Первичное покрытие (первичная защита волокна) накладывается сплошным слоем непосредственно на оболочку ОВ после его вытяжки, предохраняет его поверхность от повреждений и придает ему дополнительную механическую прочность.

Первичное покрытие волокна должно выдержи­вать процесс изготовления и прокладки кабеля. Кроме того, оно должно пройти испытания для определения срока его службы.

Первичное покрытие должно состоять из инертного материала, который при сращивании можно легко удалить, не повреждая во­локно. Рекомендуется, чтобы этот материал имел несколько боль­ший показатель преломления, чем оболочка волокна, чтобы пре­дотвратить распространение нежелательных мод. Как правило, для первичного покрытия применяются акрилат или силиконовая смола.

Для облегчения идентификации первичное покрытие волокон покрывается краской, которая должна сохранять устойчивость в присутствии других материалов и совместимость с ними в течение всего срока служба кабеля, окраска не должна оказывать отрица­тельное воздействие ни на одну характеристику передачи. Крася­щее вещество может быть введено непосредственно в покрытие.

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

В ОК волокна тре­буют дополнительных мер защиты от механических воздействий. Это дости­гается за счет применения защитных оболочек, скрутки ОВ 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 2.3),модульной ленты (рисунок 2.4)или защитная оболочка наносится непосредственно на первичное по­крытие, так называемая оболочка типа плотный (рисунок 2.5)или усилен­ный буфер (рисунок 2.6).

Рисунок 2.3 – Волокна лежат свободно

Рисунок 2.4 – Модульные ленты

 

Модульную трубку, заполнен­ную гелем, с одним ОВ называют одноволоконным оптическим модулем (рисунок 2.3), а с несколькими волокнами – многоволоконным оптическим модулем. Каждое волокно в модуле и сам модуль имеют цветной код для идентификации.

 

Рисунок 2.5 – Плотная оболочка

 

Рисунок 2.6 – 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 ОК. Ленточная конструкция удобна при сращивании нескольких во­локон и допускает большую плотность укладки волокон в кабеле.

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

Защитная трубка может быть усилена за счет сложных стенок. В такой трубке для предотвращения перемещения воды в продоль­ном направлении применяются специальные заполняющие компа­унды. Они выбираются таким образом, чтобы волокна свободно перемещались при растяжении кабеля при любой температуре предусмотренного рабочего диапазона.

Элемент для укладки состоит из сердечника с V-образными па­зами; в каждый паз укладывается одно или несколько волокон без растяжения с небольшим запасом. Пазы прорезаны по спирали (или по спирали с переменой шага), центральный силовой элемент усиливает цилиндрический стержень (рисунок 2.7). При необходимости такое оптическое устройство может укладываться вместе с элемен­тами других конструкций.

Рисунок 2.7 - Пример волокон с первичным покрытием, защита которых осу­ществляется посредством их свободной укладки в пазах:

1 - лента; 2- волокно с первичным покрытием; 3- силовой элемент; 4 - пластмассовый наконечник

 

Использование гидрофобного материала защищает волокно от просачивания воды.

Кварцевое волокно обладает большой внутренней прочностью, но на практике она снижается за счет трещин, появляющихся на поверхности.

Волокна, имеющие первичное покрытие, могут быть защищены:

- посредством свободной укладки внутри трубки или в пазу;

- с помощью плотного покрытия из полимера;

- за счет использования ленточно-элементной конструкции.

В качестве вторичного покрытия ОВ используются: трубка или паз со свободно размещаемыми в них ОВ с первичным защитным покрытием; сплошное полимерное покрытие; ленточный элемент, в котором, образуя линейную матрицу, размещаются ОВ с первичным защитным покрытием. В трубчатом элементе (трубке), выполняющем роль вторичного защитного покрытия, свободно размещаемые ОВ с первичным защитным покрытием обычно укладываются без скрутки либо путем скрутки вокруг центрального силового элемента.

Метод вторичной защиты должен выбираться с учетом структу­ры элемента из ОВ.

Многослойное плотное покрытие состоит из сложного первично­го слоя, необязательного буферного слоя и полимерного вторично­го покрытия. Буферный слой повышает стабильность оптического затухания, когда волокно подвергается воздействию радиального сжатия (рисунок 2.8). Вторичное покрытие из полимера улучшает дина­мическую характеристику сжатия волокна. Оно улучшает свойства волокна и делает его особенно подходящим для применения в ка­честве ответвительного кабеля в оборудовании, когда кабель имеет оболочку, усиленную силовыми элементами из арамидной нити.

Размеры этих слоев определяются с учетом радиального сжатия и низкотемпературных характеристик Примеры геометрических размеров представлены в таблице 2.1.

 

Таблица 2.1 - Геометрические размеры слоев

Слои	Диаметр, мм
Первичное покрытие	0,15...0,25
Буферный слой	0,2...0,4
Вторичное покрытие	0,7...1,0

 

Рисунок 2.8 - Пример волокон с первичным покрытием:

1 - вторичное покрытие; 2- первичное покрытие; 3- оптическое волокно;

4 - буферный слой (необязательный)

 

Типы оптических волокон

 

Все ВОЛС делятся на две основные группы: многомодовые MMF и одномодовые SMF.

В многомодовом световоде одновременно распространяются несколько волн с различными углами падения и отражения (эти волны называют модами). Вследствие этого происходит некоторое размывание формы первоначального сигнала, что ограничивает передающие возможности световода. Многомодовые световоды проще изготавливать, в них легче вводить световые лучи, их легче сращивать.

По одномодовым световодам в идеальном случае распространяется только одна волна. Они обладают значительно меньшим коэффициентом затухания (в зависимости от длины волны в 2-4 и даже в 7-10 раз) по сравнению с многомодовыми и наибольшей пропускной способностью, так как в них почти не искажается сигнал. Но для этого диаметр сердцевины световода (его называют диаметром поля моды или модового пятна) должен быть соизмерим с длиной волны (во всяком случае d_с/λ<10). Практически d_с=8…10 мкм.

 

В теории существуют три основных типа ОВ, отличающихся числом мод и своими физическими свойствами:

• многомодовое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления;

• многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломления;

• одномодовое волокно.

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.

Как видно из рисунка 2.9, ход лучей в разных волокнах, различен. В ступенчатом многомодовом ОВ лучи резко отражаются от границ «сердцевина-оболочка» (рисунок 2.9,а). Так как пути следования разных лучей, различны, то они проходят к концу ОВ со сдвигом во времени. Это приводит к искажению передаваемого сигнала (дисперсии).

Рисунок 2.9 - Распространение света по разным типам волокон:

a) многомодовое ступенчатое волокно; б) многомодовое градиентное волокно;
в) одномодовое ступенчатое волокно

 

В градиентных ОВ режим передачи излучения так же многомодовый, однако здесь лучи распространяются по волнообразным траекториям (рисунок 2.9,б) распространяется только один луч, и, следовательно, искажения сигнала, вызванные разным временем распространения различных лучей, отсутствуют.

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 2.9,в иллюстрирует профиль показателя преломления одномодового волокна. Этот тип волокна демонстрирует значительно лучшие значения коэффициента широкополосности среди описанных трех типов волокон

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.

Число мод зависит от соотношения диаметра сердцевины световода (d) и длины волны (λ). Для одномодового режима передачи, необходим малый диаметр сердцевины ОВ, соизмеримый с длинной волны, т.е. d = λ.

В поперечном сечении сердцевины световода, укладывается только одна волна N=1, диаметр сердцевины ООВ может быть 5/10мкм. С увеличением d сердцевины, число передаваемых мод резко возрастает. В этом случае d > λ и в сердцевине укладывается большее число волн N > 1000, диаметр сердцевины МОВ может составлять 50/980 мкм.

Количество мод в ОВ можно определить соотношением

где V – количество мод; d – диаметр сердцевины ОВ; λ – длинна волны; n₁ и n₂ показатели преломления сердцевины и оболочки.

Хотя на практике существуют и другие виды значения диаметров волокон:

- многомодовое градиентное волокно 50/125

- многомодовое градиентное волокно 62,5/125

- одномодовое ступенчатое волокно SF (standard fiber) (волокно не с несмещенной дисперсией или стандартное волокно) 8-10/125

- одномодовое волокно со смещенной дисперсией DSF (dispersion-shifted single mode fiber) 8-10/125

- одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (non-zero dispersion-shifted single mode fiber) (по профилю показателя преломления это волокно схоже с предыдущим типом волокна)

В ступенчатом одномодовом оптическом волокне (SF) (рисунок 2.10) диаметр светонесущей жилы составляет 8-10 мкм и сравним с длиной световой волны. В таком волокне при достаточно большой длине волны света λ > λ _CF (λ _CF - длина волны отсечки) распространяется только один луч (одна мода). Одномодовый режим в ОВ реализуется в окнах прозрачности 1310 нм и 1550 нм. Распространение только одной моды устраняет межмодовую дисперсию и обеспе­чивает очень высокую пропускную способность одномодового волокна в этих окнах прозрач­ности. Наилучший режим распространения с точки зрения дисперсии достигается в окрестно­сти длины волны 1310 нм, когда хроматическая дисперсия обращается в ноль. С точки зрения потерь это не самое лучшее окно прозрачности. В этом окне потери составляют 0,3 - 0,4 дБ/км, в то время как наименьшее затухание 0,20 - 0,25 дБ/км достигается в окне 1550 нм.

Рисунок 2.10 – Одномодовое ступенчатое волокно SF

В одномодовом оптическом волокне со смещенной дисперсией (DSF) (рисунок 2.11) длина волны, на которой дисперсия обращается в ноль, - длина волны нулевой дисперсии λ₀ - смеще­на в окно прозрачности 1550 нм. Такое смещение достигается благодаря специальному профилю показате­ля преломления волокна. Таким образом, в волокне со смещенной дисперсией реализуются наилучшие характеристики, как по минимуму дисперсии, так и по минимуму по­терь. Поэтому такое волокно лучше подходит для строительства протяженных сегментов с расстоянием между ретрансляторами до 100 и более км. Разумеется, единственная рабочая длина волны берется близкой к: 1550 нм.

 

Рисунок 2.11 - Одномодовое волокно со смещенной дисперсией DSF

 

Одномодовое оптическое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF в отличие от DSF оп­тимизировано для передачи не одной длины волны, а сразу нескольких длин волн (мультип­лексного волнового сигнала) и наиболее эффективно может использоваться при построении магистралей «полностью оптических сетей» - сетей, на узлах которых не происходит оптоэлектронного преобразования при распространении оптического сигнала.

Оптимизация трех перечисленных типов одномодовых ОВ совершенно не означает, что они всегда должны использоваться исключительно под определенные задачи:

SF - пере­дача сигнала на длине волны 1310 нм,

DSF - передача сигнала на длине волны 1550 нм,

NZDSF - передача мультиплексного сигнала в окне 1530-1560 нм.

Так, например, мультип­лексный сигнал в окне 1530-1560 нм можно передавать и по стандартному ступенчатому одномодовому волокну SF. Однако длина безретрансляционного участка при использовании во­локна SF будет меньше, чем при использовании NZDSF, или иначе потребуется очень узкая полоса спектрального излучения лазерных передатчиков для уменьшения результирующей хроматической дисперсии. Максимальное допустимое расстояние определяется технически­ми характеристиками как самого волокна (затуханием, дисперсией), так и приемо­передающего оборудования (мощностью, частотой, спектральным уширением излучения пе­редатчика, чувствительностью приемника).

В ВОЛС наиболее широко используются следующие стандарты волокон, показанные в таблице 2.1.

 

Таблица 2.1 - Стандарты ОВ и области их применения

Многомодовое волокно	Одномодовое волокно
MMF 50/125 градиентное волокно	MMF 62,5/125 градиентное волокно	SF (NDSF) ступенчатое волокно	DSF волокно со смещенной дисперсией	NZDSF волокно с ненулевой смещенной дисперсией
ЛВС (Ethernet, Fast/Gigabit Ethernet, FDDI, ATM)	ЛВС (Ethernet, Fast/Gigabit Ethernet, FDDI, ATM)	Протяженные сети (Ethernet, Fast/Gigabit Ethernet, FDDI, ATM, магистрали SDH)	сверх протяженные сети, супермагистрали (SDH, ATM)	сверх протяженные сети супер магистрали (SDH, ATM), полностью оптические сети