Лекция 2
Конструкция и типы оптических волокон
План:
1. Основные конструктивные элементы ОВ;
2. Типы покрытий и элементов ОК;
3. Типы оптических волокон;
4. Микроизгибы и макроизгибы;
5. Окна прозрачности ОВ.
Основные конструктивные элементы ОВ
ОК состоит из скрученных по определенной системе ОВ из кварцевого стекла, заключенных в общую защитную оболочку. При необходимости кабель может содержать силовые (упрочняющие) и демпфирующие элементы.
Сердцевина и отражающая оболочка. 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.
Конструкция ОВ показана на рисунке 2.1.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 , где εr — относительная диэлектрическая проницаемость. Здесь и далее через п обозначается абсолютный (фазовый, в отличие от группового) показатель преломления равный отношению:
. (2.1)
Условия распространения светового импульса по ОВ 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, ОВ необходимо защитить от механических воздействий. Для этого, кроме первичного защитного покрытия, используются также защитные оболочки.
Рисунок 2.1 - Конструкция оптического волокна
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.
ОВ производится различными способами, обеспечивая передачу оптического излучения на различных длинах волн, выполняют различные задачи и имеют различные характеристики. Классифицируются они по ряду параметров:
· материал из которого сделан ОВ
· по профилю показателя преломления
· по числу распространяющихся мод.
Для создания ОВ в качестве материала может использоваться кварц, полимерное или многокомпонентное стекло.
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.
Возможны два варианта конструктивных решений по укладке ОВ в кабеле
- свободная, при которой волокна не скреплены друг с другом и с оболочкой, т.е. лежат в ней свободно (кабели наружной прокладки),
- связанная укладка (кабели внутренней прокладки).
Эти два варианта укладки волокон совместно с возможными вариантами размещения упрочняющих элементов (в центре, во внешних защитных слоях или их комбинации) дают многообразие конструкций оптических кабелей. С точки зрения удобства монтажа кабеля предпочтительной является структура кабеля с центральным расположением упрочняющего элемента.
Некоторые конструкции кабелей ОК, кроме ОВ, содержат медные проводники для дистанционного питания регенераторов и служебной связи, которые располагают в пазах профильного сердечника или во внешнем повиве. Существуют комбинированные ОК с медными парами и четверками для цепей связи.
Вне зависимости от условий применения кабеля: кабельная канализация, прокладка в грунте, подвеска на опорах, прокладка под водой, размещение в грозозащитном тросе, — важнейшим элементом в конструкции кабеля, определяющим его технические и экономические характеристики, являются сердечник ОК.
Скрутка оптических модулей в сердечник, вокруг несущего элемента кабельного сердечника, может быть выполнена одним из следующих способов:
спиральная скрутка;
SZ- скрутка (скрутка с чередованием направления скрутки).
Повив — слой скрутки, при котором скручиваемые элементы располагаются концентрически вокруг центрального элемента.
В волоконно-оптической кабельной технике в основном применяется скрутка слоями (повивами). При этом скручиваемые элементы располагаются концентрически вокруг центрального силового элемента. Если скручиваются отдельные элементы (оптические модули, медные жилы, наполнители), то в этом случае говорят о кабеле повивной скрутки. Если же сердечник кабеля свивается из модулей состоящих из скрученных элементов (жгутов), то такой кабель называется модульным кабелем или кабелем жгутовой скрутки.
При спиральной скрутке модули (волокна) свиваются в одном направлении и одинаковым углом по отношению к продольной оси кабеля. Этот вид скрутки оптических модулей, такой же как групп в кабелях симметричной конструкции.
При SZ — скрутке рисунок 2.2 одно направление скрутки (1), например, по часовой стрелке, через определенное число витков меняется на противоположное направление (2). В точке смены направления скрутки волокна параллельны оси кабеля.
При спиральной скрутке волокна имеют тем больше превышение их длины по сравнению с длиной оси, чем меньше шаг скрутки. Уменьшение шага скрутки позволяет прикладывать к кабелю при прочих равных условиях большие усилия на растяжение и сжатие. Однако минимальная длина шага скрутки ограничивается минимальным допустимым радиусом кривизны волокна с точки зрения механических характеристик и увеличения затухания волоконного световода вследствие изгибов. Величина радиуса кривизны при спиральной скрутке не изменяется вдоль оси кабеля.
Рисунок 2.2 – SZ-скрутка
При SZ — скрутке величина радиуса кривизны изменяется вдоль оси кабеля. Она достигает максимума в точках смены направления скрутки. В целом эта скрутка обеспечивает более высокую стабильность параметров передачи и обладает более высокой стойкостью к растягивающим усилиям, а также эксплуатационные удобства благодаря более быстрому доступу к ОВ в середине строительных длин при проведении АВР.
Можно выделить несколько основных групп конструктивных элементов: ОВ с защитными покрытиями, оптические модули, сердечники, основные элементы, гидрофобные материалы, оболочки и броня. В зависимости от назначения и условий применения ОКС конструкция имеет свои особенности.
На практике стремятся к тому, чтобы максимальная кратковременная величина деформации ОВ не превышала 1%, а величина длительной деформации составляла небольшую долю от величины максимальной деформации. Чувствительны ОВ и к таким воздействующим факторам, как изгибы, перепады температур и влияние водорода, выделяемого элементами, входящими в конструкцию кабеля. Эти свойства ОВ и предопределяют конструкции ОКС при использовании их в различных средах.