Одномодовые оптические волокна и их параметры

3.2.1.  Общие сведения об оптических волокнах

Не  будет  ошибкой  утверждать,  что  волоконно-оптические   телекоммуникационные технологии появились вслед за изобретением лазера в 1958 г.

Лазер   –   это   квантовый   генератор   оптического   диапазона   волн.   Этот   диапазон традиционно    подразделяется    на    три    поддиапазона:     инфракрасный,     видимый    и ультрафиолетовый, параметры которых приведены в табл. 3.3 [26].

Из    табл.    3.3    следует,    что    оптическое    излучение    является    разновидностью электромагнитных  колебаний  очень  высоких  частот  (очень   коротких  длин  волн).  По сравнению с обычным источником света (свеча, электрическая лампочка), излучение лазера имеет высокую монохроматичность и  когерентность, а также большую интенсивность, и очень похоже на излучение обычных радиопередатчиков СВЧ-диапазона.

Таблица 3.3

Параметры

Поддиапазоны

Инфракрасный

Видимый

Ультрафиолетовый

f, Гц

1012…1014

4х1014…0,75х1015

0,75х1015…1017

λ, мкм

300… 0,75

0,75… 0,4

0,4… 0,02

Поэтому возникло совершенно естественное желание: использовать излучение лазера в качестве   несущей   частоты   в   системах   радиосвязи.    При   этом   свет   должен   был распространяться в свободном пространстве, т. е. в воздушной среде. На это ушло несколько лет… Результат был  отрицательным. Начались эксперименты по созданию для лазерного излучения замкнутой направляющей среды [65].

В 1966 г. научные сотрудники С. К. Као и Г. А. Хокем из Standard Telecommunications Laboratories в Харлоу (Англия) предложили использовать в  качестве направляющей среды нити из стекла – оптические волокна (ОВ). Но в то время коэффициент затухания в лучших стеклах в видимой области спектра составлял не меньше 1000 дБ/км.

Основной  тезис  С.  К. Као и  Г.  А.  Хокема  сводился  к  тому,  что  если  бы  удалось уменьшить коэффициент затухания α в стекле до 20 дБ/км, то стало бы возможным создание ВОСП.   При   указанной   величине   коэффициента   затухания   мощность   передаваемого оптического излучения уменьшалась бы в 106 раз при прохождении по стеклянному волокну длиной 3 км.

К 1970 г. в США в лабораторных условиях было получено волокно с коэффициентом затухания α = 20 дБ/км, а в 1975 г. его удалось уменьшить до 2 дБ/км.

В лаборатории одной из фирм Японии в 1976 г. было изготовлено ОВ с коэффициентом затухания 0,5 дБ/км, а в 1979 г. – 0,2 дБ/км.

В эти же (70-е) годы было установлено, что коэффициент затухания ОВ с увеличением длины  волны  оптического  излучения  снижается.  Волокна  имеют  наименьшие  значения коэффициента затухания в ближней к видимым лучам области инфракрасного поддиапазона на длинах волн от 0,75 до 4…6 мкм. Но функция α = φ (λ) не является монотонной, она имеет экстремумы. В частности, наименьшее затухание ОВ имеют на длинах волн 0,85; 1,3; 1,55 и 2,1 мкм.

Оптические волокна, использующие первые три из указанных длин  волн,  освоены в производстве и практически применяются в линейных трактах волоконно-оптических ДСП. Оптические волокна с длиной волны 2,1 мкм находятся в стадии лабораторных испытаний.

В   80-х   гг.   ведущие   мировые   компании   уже   выпускали   оптические   кабели   с коэффициентом  затухания  ОВ  менее  10  дБ/км,  а  в   90-х  гг.  началась  эра  волоконно- оптических  телекоммуникационных  технологий.  На  пунктах  доступа  в  этих  технологиях используются  цифровые   мультиплексоры  и  демультиплексоры,  а  цифровые  линейные тракты  на   десятки,  сотни,  тысячи  километров  строятся  с  использованием  оптических кабелей, источников и приемников оптического излучения [37, 65, 101].

В   оптических   кабелях   для   передачи   электромагнитных   сигналов   используется принципиально   новая   направляющая   среда   –   оптическое   волокно,   изготовленное   из прозрачного для оптических сигналов диэлектрика.

Оптическое  волокно  представляет  собой  тонкий  стержень  (нить)   цилиндрической формы заданного диаметра. Эта нить выполнена из особо чистого стекла со специальными добавками и  покрыта  наружным слоем  (также  из  диэлектрика).  В  результате  образуется двухслойное волокно,  поперечное сечение которого образует круг. Внутренний стержень этого волокна называется сердцевиной, а наружный слой – оболочкой. Сердцевина ОВ служит для передачи электромагнитной энергии источника оптического излучения.

Действительно, материалы для изготовления ОВ выбраны так, что значение показателя преломления сердцевины п1  больше, чем значение  показателя преломления оболочки п2. Поэтому   оптические   лучи,   падающие   на   границу   раздела   «сердцевина   –   оболочка», отражаются от нее и вынуждены распространяться вдоль ОВ, как показано на рис. 3.2.

Назначение  оболочки  –  создать  условия  отражения  на  границе  ее  с  сердцевиной  и защитить  энергию  распространяющихся  оптических  лучей  от  излучения  в  окружающее

пространство.  Снаружи  на  двухслойное  ОВ  наносятся  первичное  и  вторичное  защитные покрытия   из   различных   пластмасс   для   предохранения   его   от    внешних,   особенно механических, воздействий. Такие ОВ являются основным  элементом оптических кабелей. Были  разработаны  специальные  методы  и   технологии  производства  ОВ,  покрытия  их пластмассами,  позволяющие   изготавливать  достаточно  прочные  ОВ  и  кабели  из  них. Полученные  кабели   имеют  малые  массогабаритные  параметры,  низкие  коэффициенты затухания    используемых    ОВ    на    указанных    выше    длинах    волн    и    практически неограниченную полосу пропускания современных ООВ.

Рис. 3.2

Главной  особенностью  производства  оптических  кабелей  является  технологическая трудность  изготовления  ОВ,  которое  может  быть  получено  путем  вытягивания  либо  из специальных заготовок, либо непосредственно из расплава исходных материалов. Основным материалом  для  изготовления  ОВ  является  кварцевое  стекло,  обладающее  наименьшими потерями   мощности    оптических   сигналов.   Однако   кварц   имеет   два   существенных недостатка:

а)  высокую температуру плавления (1500… 1700 °С), что затрудняет производство ОВ;

б)  малое значение показателя преломления, которое ограничивает применение чистого кварца для изготовления отражающей оболочки.

Изменение показателя преломления кварца, или окиси кремния SiO2,  обеспечивается легированием его различными материалами, например, окислами  германия GeO2, фосфора Р2О5, бора В2О3, титана ТiO2  и др. В настоящее время в большинстве случаев оболочку ОВ изготовляют из чистого кварца, а показатель преломления сердцевины повышают присадкой окислов  GeO2   или  Р2О5.  Иногда  при  производстве  ОВ  поступают  наоборот:  из  чистого кварца    изготавливают    сердцевину,    а    показатель    преломления    оболочки    снижают добавлением в кварц окиси бора В2О3.

При монтаже волоконно-оптических кабелей в процессе строительства и эксплуатации линейных трактов наиболее распространенным способом сращивания ОВ является их сварка с  помощью  электрической  дуги.  Используются  также  механический  и  клеевой  способы сращивания концов соединяемых между собой ОВ. Сращивание любым способом вносит в ОВ дополнительное затухание (ослабление) передаваемых оптических сигналов.

На всех этапах производства, монтажа (при строительстве) и эксплуатации оптических кабелей необходимо измерять различные параметры ОВ.

Источник: Хмелёв К. Ф. Основы SDH: Монография. – К.: ІВЦ «Видавництво «Полігехніка»», 2003.-584 с.:ил.

Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0 ленту. Вы можете оставить ответ, или trackback с вашего собственного сайта.

Оставьте отзыв

XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

 
Rambler's Top100