Основные материалы и конструкции волоконных световодов и кабелей

Основой волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) являются кварцевые двухслойные световоды трех основных типов: многомодовые ступенчатые, многомодовые градиентные и одномодовые.

Двухслойные кварцевые световоды изготавливаются способом парафазного осаждения. Этот способ основан на высокотемпературной (1200…1600 ⁰С) реакции получения чистого кварца SiO₂ из газовой смеси SiCl₄ и О₂. Смесь пропускают через нагретую кварцевую трубу, и на ее внутренней поверхности оседает слой чистого кварца, образуя оболочку световода. Затем в смесь добавляют окислы бора или германия и осаждают легированный кварц (с большим n), формируя сердцевину световода.

Световоды из многокомпонентных стекол представляют собой сплавы двуокиси кремния SiO₂ с несколькими составляющими: Na₂O, CaO, MgO, Li₂O. Изменяя состав, можно изменять показатель преломления. Процесс изготовления световодов низкотемпературный и простой. Однако такие волокна менее прозрачны, чем кварцевые, из-за недостаточной чистоты исходных компонентов.

Кварц-полимерные световоды изготавливаются из особо чистого промышленного кварца, покрываемого в процессе вытяжки светоотражающим полимером. Они очень просты в изготовлении, устойчивы к радиации (из-за нелегированности сердцевины). Однако низкая температурная устойчивость и недолговечность позволяют использовать их только в простейших коротких ВОЛС.

Полимерные световоды наиболее дешевы и просты в изготовлении, могут иметь практически любые значения диаметра сердцевины и числовой апертуры. Однако большое затухание и нестабильность характеристик во времени не дают возможности их широко применять.

Таким образом, в настоящее время только двухслойные световоды из легированного кварца достаточно полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ВОЛС.

Отметим достоинства волоконных световодов, как среды для распространения сигнала:

1. Низкие потери (0,2 дБ/км). Такие потери на 2 порядка меньше, чем в проводных линиях связи, что позволяет увеличить расстояние между ретрансляторами.

2. Коэффициент широкополосности > 1 ГГц×км позволяет обеспечить несколько десятков тысяч телефонных разговоров по одному световоду.

3. Малая толщина (диаметр до 125 мкм), малый вес (27 г/км) и хорошая гибкость (радиус изгиба r=2 мм) позволяют легко прокладывать световоды.

4. Невосприимчивость к электромагнитным наводкам. Поэтому световоды можно прокладывать вблизи мощных электрических кабелей и электрифицированных железнодорожных путей.

5. Малые утечки излучения обеспечивают высокую степень секретности передачи информации, а малые перекрестные помехи позволяют плотно укладывать световоды.

Рассмотренные волоконные световоды обладают недостаточной механической прочностью и стойкостью к окружающей среде. Поэтому при прокладке ВОЛС световоды объединяют в многожильный кабель, куда входят упрочняющие жилы и жилы для питания ретрансляторов. Конструкция этих кабелей отличается большим разнообразием. Но можно выделить три основные группы: кабели концентрической повивной скрутки; кабели с профилированным сердечником; ленточные кабели.

Кабели первой группы (рис. 2.9) имеют традиционную повивную скрутку по аналогии с электрическими кабелями.

Рис. 2.9

Каждый последующий повив имеет на 6 световодов больше предыдущего. Известные кабели содержат преимущественно 6, 12, 18 волокон. Каждый световод покрывается индивидуальный защитной пленкой, которая исключает взаимодействие между световодами. Эти световоды помещены в эластичную оболочку, которая фиксирует положение световодов, исключая трение между ними при изгибе кабеля. Затем вся конструкция, вместе с упрочняющими элементами, помещается в наружную оболочку, которая предотвращает кабель от внешних воздействий в процессе эксплуатации.

Кабели второй группы (рис. 2.10) имеют в центре фигурный пластмассовый сердечник с пазами, в которых размещаются оптические световоды.

Рис. 2.10

Такие кабели могут содержать 4, 6, 8, 10 световодов. Количество упрочняющих элементов меньше, т.к. сердечник сам является упрочняющим элементом.

Кабель ленточного типа (рис. 2.11) состоит из стопки плоских пластмассовых лент, в которые вмонтировано несколько (чаще всего 12) световодов. Число лент может быть 6, 8, 12. Таким образом, общее число световодов в кабеле может достичь 144.

Рис. 2.11

Готовый кабель, в зависимости от назначения, может иметь следующие параметры: наружный диаметр до 30 мм; радиус изгиба не менее 20d; масса до 400 кг/км; прочность на разрыв до 3000 Н; температурный диапазон -40…+50 ⁰С.

Оптическим кабелям присваивается марка ОК (оптический кабель). Следующая буква указывает на область использования ОК (З – зоновые, М – магистральные). Далее следует группа цифр, указывающих емкость кабеля и число каналов. Например: ОКЗ 1х120, 1х480 означает, что оптический кабель используется на зоновой сети и позволяет обеспечить работу двух систем передачи емкостью 120 и 480 каналов связи.

В интегральной оптоэлектронике световоды изготавливаются в виде планарной пленки или полоски с показателем преломления выше, чем у подложки (рис. 2.12).

а б

Рис. 2.12

Планарный световод (рис. 2.12а) состоит из пленки с показателем преломления n₁ и прилегающих к пленке сверху и снизу сред с меньшими показателями n₀ и n₂, причем n₁>n₂³n₀. Световод называется несимметричным, если n₂¹n_{0 ,} и симметричным, если n₂=n₀. Число распространяющихся мод зависит от соотношения между толщиной световода и длиной волны, а также от разности между показателями преломления световода и подложки. Оно находится из соотношения:

.

Планарный световод не обеспечивает полного удержания света в плоскости пленки и поэтому необходимо использовать полосковые световоды, способные хорошо удерживать свет (рис. 2.12б).