Методы изготовления оптических волоконСуществуют два основных метода изготовления волокна: химическое осаждение и метод двойного тигля. Наибольшее развитие и применение получил метод осаждения в различных вариантах: осаждение может быть внутреннее и внешнее. На рис.4.1 показана схема внутреннего осаждения. Через заготовку в виде трубки небольших размеров (длина порядка 1.8-2.0 м, диаметр – 18-20 мм) при температуре около 1700-2000 градусов пропускаются пары четырёххлористого кремния, германия и кислорода. В результате реакции образуется двуокись кремния, которая осаждается внутри заготовки, а хлор выводится. Когда происходит так называемое схлопывание, заготовку вытягивают. Добавление германия увеличивает к-т преломления волокна. Кроме германия могут применяться фосфор, титан, алюминий и другие материалы, однако наибольшей долговечностью и стойкостью обладает германий, несмотря на более высокую стоимость. Добавление бора уменьшает коэффициент преломления, и, кроме того, повышает радиационную стойкость.
Рис. 4.1. Схема метода осаждения В методе двойного тигля используются два вставленных друг в друга сосуда, изготовленных из платины (рис.4.2). Сосуды заполнены расплавами с разными коэффициентами преломления. Вытекая из тиглей и застывая, масса образует нить со ступенчатым коэффициентом преломления.
Рис. 4.2. Схема метода двойного тигля. Размеры кварцевых волокон стандартизованы, это 10/125, 50/125, 65/125, 80/125, 90/125, 100/140, 100/200. Наиболее часто применяемые размеры для одномодовых волокон 10/125, для многомодовых волокон 50/125. У полимерных волокон размеры значительно больше.
Щелочное стеклоСложные стеклообразующие смеси, включающие натрий, калий, кальций, известны уже давно. Это натрий-калий силикатное стекло (Na2O, CaO, SiO2), натрий-бор-силикатное стекло (Na2O, B2O3, SiO2), натрий-алюминиевое стекло (Na2O, Al2O3, SiO2), щелочно-свинцовое стекло (Na2O, PbO, SiO2). Эти стёкла имеют низкую температуру плавления (~1400º C), легко регулируемый показатель преломления, малую стоимость. Существенный недостаток – большая возможность загрязнения и трудности очистки от примесей.
Халькогенидные стёклаЗатухание в кварцевом стекле определяется главным образом Релеевским рассеянием, которое зависит от длины волны обратно пропорционально её четвёртой степени, поэтому основное окно для работы находится в области 1.5-1.6 мкм. Однако далее 1.6 мкм двигаться нельзя, так как в кварцевом волокне наступает инфракрасный срез, при котором затухание в стекле сильно возрастает. Поэтому неудивительны поиски таких стёкол, которые могут работать при больших длинах волны. Б.Т.Коломийц и Н.А Горюнова открыли новый класс веществ: стеклообразующие полупроводники на основе сульфида и селенида мышьяка, которые отличаются высокой прозрачностью в инфракрасной области от 1 до 18 мкм и малой дисперсией в этом диапазоне. Затухание равно примерно 0.001-0.01 дБ/км, а нулевая дисперсия наблюдается на длине волны 4.85 мкм (рис.4.3).
Рис. 4.3. Затухание и дисперсия в халькогенидном волокне Однако халькогенидные стёкла трудно совместимы со стёклами других типов из-за высокого теплового коэффициента линейного расширения. В то время как кварцевое стекло практически не изменяет своих размеров с температурой, длина халькогенидного стекла сильно от неё зависит. Кроме того, халькогенидные стёкла очень опасны в обращении из-за ядовитости входящих в него компонент (фтор, мышьяк, сера и др.). По этим и некоторым другим причинам они не получили распространения.
Полимерные волокнаПервые разработки полимерного волокна были сделаны фирмами Pilot Chemical и Du Pont в конце 60-х годов ХХ века. Они имели затухание в сотни дБ/км. Полимерное волокно имеет большой диаметр сердцевины (200 - 1000 мкм), высокую гибкость и стойкость к вибрациям, что делает его очень удобным для монтажа и применения в движущихся объектах. Однако затухание полимерного волокна значительно выше чем у кварцевого, порядка 100-200 дБ/км, поэтому общая длина сети не может быть большой (порядка 300 м). Полимерное волокно в используемом диапазоне волн является многомодовым (свыше 100 мод) и обладает большой межмодовой дисперсией, что ограничивает скорость передачи. Максимальная дальность 300 м совпадает с типичными требованиями оконечных сетей FTTH (волокно к дому) в европейских городских районах – это расстояние между стандартным кварцевым оптическим волокном, проложенным до фундамента многоквартирного дома и цифровым выводом в отдельных квартирах или апартаментах. Основное достоинство полимерного волокна (POF) заключается в том, что любой человек может осуществить монтажные работы, так как POF можно резать ножницами, муфту одевать с помощью обжимного инструмента и т.д. Другое важное преимущество POF заключается в том, что в них используется видимый свет вместо инфракрасного. Это сводит на нет риск ожога сетчатки глаза. Могут использоваться две волны: 520 нм для передачи данных на расстояние 300 м со скоростью 100 Мбит/с и 650 нм для передачи 1 Гбит/с на 100 м. Основные области применения - это автомобильные и самолётные сети, промышленное управление, локальные сети нового поколения. В настоящее время у лучших образцов полиметилметакрилатного волокна (ПММА) получено затухание 70 дБ/км на волне 560 нм, а самое низкое поглощение достигнуто сегодня у градиентного полимерного волокна (ГПОВ): при диаметре сердцевины 100-150 мкм затухание порядка 15 дБ/км на волне 1300 нм (рис.4.4). Наиболее используемым является окно прозрачности в безвредном видимом диапазоне длин волн в районе 650 нм (глубокий красный цвет) при затухании порядка 150 дБ/км. Преимуществами полимерного волокна являются удобные размеры для монтажа (волокно можно резать бритвой, легко центрировать), работа в видимом диапазоне, простота эксплуатации, стойкость к вибрации
Рис. 4.4. Затухание в полимерных волокнах
1 – затухание волокна ПMMA
и при небольших длинах удобно для использования в военных машинах, самолётах и ракетах.
Основные конструкции оптических кабелейСуществует три основные конструкции оптических кабелей: повивная, с фигурным сердечником и ленточная (рис. 4.5). Конструкции “а” и “б” характерны для Европы и России,
Рис.4.5. Конструкции оптических кабелей. 1 - оптическая жила в пластмассовой трубке, 2 - силовой (упрочняющий элемент), 3 - внутренняя оболочка, 4 – полиэтиленовая оболочка, 5 – профилированный сердечник из кевлара, 6 – лента с волокнами конструкция “в” – для США. В повивной конструкции силовой элемент из кевлара или стали иногда расположен в центре кабеля, а повивы располагаться слоями или состоять из пучков (групп) жил.
Кабели, изготавливаемые промышленностью РоссииВ соответствии с ранее принятым делением линий на магистральные (между субъектами Федерации), зоновые (между областными и районными центрами длиной не больше 600 км) и местные линии выпускаемые промышленностью кабели также делятся на магистральные, зоновые и местные. Кроме того, за период с 1980 года выпускались кабели двух поколений, хотя по конструкции эти кабели существенно не отличаются друг от друга. В последнее время традиционное трёхуровневое деление на транспортные, зоновые и местные линии всё больше заменяется на двухуровневое: транспортные линии и сети доступа. Городские кабели 1-го поколения, выпускавшиеся до 1988 г, являлись многомодовыми кабелями повивной конструкции с диаметром сердцевины 50 мкм. Волокна расположены в полиэтиленовых трубках, навитых на сердечник из упрочняющего материала (стали или кевлара). Обозначение включает основные параметры кабеля, например, ОК-50-2-5-4. В этом обозначении 50 означает диаметр сердцевины, 2- номер разработки (обычно это характеризует материал упрочняющего элемента), 5 – затухание сердечника в дБ/км, 4 - количество оптических волокон. Кабель предназначен для работы в первом окне прозрачности при λ = 0.85 мкм. 2-е поколение городских кабелей имеет обозначение типа ОКК-50-01-0.7-8 или ОКК-10 -01- 0.7-8 Это обозначение применяется к кабелю с градиентным волокном, диаметр сердцевины которого равен 50, или к одномодовому кабелю с диаметром сердечника10 мкм, 01 – номер разработки, 0.7 – затухание в дБ/км, 8 – количество волокон в кабеле. Число волокон может быть 4, 8, 16, 32 и т.д. Городские кабели типа ОКК имеют несколько модификаций, связанных с конструкциями внешних покровов кабеля, например, ОККО – имеет броню в виде оплётки, ОККБ – с бронёй из стальных лент, ОККС – с покрытием из пластиковых стержней, ОККАК – с алюминиевой оболочкой и бронёй из стальных проволок, ОКС – станционные кабели и т.д. Оптические кабели зоновой связи первого поколения типа ОЗКГ имеют профилированный сердечник с прорезанными по геликоиде пазами, в которых расположены оптические волокна, а в наружной оболочке размещены также медные жилы для организации дистанционного питания. Типичное обозначение ОЗКГ-1-0.7-4/4. Это оптический кабель зоновой связи с градиентным профилем показателя преломления, 1-й разработки с затуханием 0.7 дБ/км, с 4-мя оптическими волокнами и 4-мя медными жилами. 2-е поколение зоновых кабелей имеет обозначение ОКЗ и также имеет ряд модификаций с различными внешними покровами: ОКЗС, ОКЗО, ОКЗБ, ОКЗК, ОКЗАК. Кабели рассчитаны на работу во втором окне прозрачности при λ = 1.3 мкм. Магистральные кабели первого поколения типа ОМЗКГ имеют схожее обозначение: ОМЗКГ-10-1-0.5-8, где первая цифра 10 показывает диаметр сердцевины в мкм, и, значит, это кабель одномодовый; вторая цифра (в данном случае 1) определяет номер разработки; третья цифра говорит о затухании в дБ /км, и последняя означат число оптических волокон, которое может быть равно и 16 и 32. затухание магистральных кабелей может быть от 0.2 до 0.7 дБ/км. Второе поколение магистральных кабелей имеет обозначение ОКЛ, например: ОКЛБ – 03- 0.3/3.5 -16. Первые цифры 03 означают номер разработки; вторые 0.3 – затухание в дБ/км; 3.5 – хроматическая дисперсия в пс · км; 16 – число оптических волокон. ОКЛБ означает оптический кабель линейный, бронированный стальными лентами. Возможны также кабели ОКЛС, ОКЛК, ОКЛАК. В России в настоящее время имеется много заводов, выпускающих в кооперации с рядом зарубежных фирм большую номенклатуру кабелей. Отечественные кабели значительно дешевле, а по качеству не хуже, а иногда и превосходят зарубежные. Наиболее известными заводами являются Самарская оптическая кабельная компания, завод “Москабель-Фуджикура” и другие. Собственные заводские обозначения кабелей иногда отличаются от указанных здесь, но они также легко расшифровываются. Заводами выпускаются также кабели, встроенные в грозозащитные тросы линий электропередачи, кабели для навивки на фазные провода, самонесущие кабели с тросиком для подвески на воздушных опорах (рис.4.6), станционные кабели и др.
Рис 4.6. Кабели для подвески на опорах воздушной линии. 1- оптические волокна, 2- упрочняющий стержень, 3- гидрофобное заполнение, 4- экран, 5- полиэтиленовая оболочка, 6 – стальной трос.
Современные типы волокон на основе двуокиси кремния1. Развитие типов волоконИсторически сложилось, что сначала появилось многомодовое волокно, предназначенное для работы в первом окне прозрачности (на длине λ = 0.85 мкм). Минимальную дисперсию это волокно имеет на длине волны λ =1.3 мкм. Затем было разработано одномодовое волокно для работы во втором и третьем окнах прозрачности. Оно также имеет нулевую дисперсию на длине волны λ =1.3 мкм. Международный союз электросвязи (МСЭ-Т) разработал несколько стандартов на оптические волокна, которые изложены в Рекомендациях серии G. Например, рекомендация G.651 для многомодового волокна с диаметром сердцевины 50 и 65 мкм (11% всего производства в мире) и G.652 для одномодового волокна с диаметром сердцевины примерно 10 мкм. Последнее волокно имеет минимальное затухание на волне 1.55 мкм и нулевую дисперсия на волне 1.3 мкм. Это наиболее распространённое волокно (57% всего производства). Иногда его называют волокном типа SMF (Simple Mode Fiber). Естественно возникла мысль совместить минимальное затухание и минимальную дисперсию в одном волокне, поэтому было разработана рекомендация G.653 для волокна DSF (dispersion shifted), у которого точка нулевой дисперсии смещена от 1.3 мкм к 1.55 мкм. Волновое уплотнение и оптические усилители в тот момент не применялись, и поэтому проблемы четырёхволнового смешения не было. Было разработано также волокно G.654, которое похоже на волокно G.652, но с улучшенными характеристиками по затуханию. В это время появились системы волнового уплотнения, и выяснилось, что волокно G.653 нельзя применять с WDM и оптическими усилителями, т.к. при нулевой дисперсии возникает сильное четырёхволновое смешение, поэтому пришлось разрабатывать волокно со смещённой, но не нулевой дисперсией (рекомендация G.655). Это волокно типа NZDSF (non zero dispersion shifted fiber). Дисперсия смещена, но не в точку 1.55 мкм, а к границе области работы оптического усилителя EDFA (в точку 1525 нм или 1562 нм, см. рис.4.7), так что дисперсия в пределах окна хоть и не большая, но не нулевая (от 4 до 16 пс/нм·км). Это волокно в 3-5 раз дороже волокна G.652, но ряде случаев вместо прокладки нескольких кабелей с волокном G.652 выгодно применить один кабель с волокном G.655. Это волокно составляет 32% всего производства волокна в мире.
Рис.4.7. Область
работы оптического усилителя и точки нулевой дисперсии волокна NZDSF. Впоследствии появились рекомендация G.656 для волокна, оптимизированного для систем волнового уплотнения, и G.657 для волокна с уменьшенными потерями на изгибе (для прокладки по стенам зданий). Были разработаны также волокна без водяного пика и волокна со сдвинутым порогом наступления нелинейности (комбинационного рассеяния Брюллиэна) в рамках рекомендации G.652.
2. Существующие типы оптических волокон на основе кремнияИтак, в настоящее время существуют следующие типы оптических волокон на основе кремния в соответствии с рекомендациями: 1) Рекомендация G.651. Это многомодовое волокно с диаметром сердцевины 50 и 65 мкм (11% всего производства), которое применяется главным образом на городских линиях при λ = 0.85 мкм. 2) Рекомендация G.652. Одномодовое волокно с диаметром сердцевины примерно 10 мкм. Сейчас появились варианты этого волокна, но без водяного пика: All Wave (фирма OSF), SMF-28e (Corning), SMR (Pirelli) в рамках рекомендации G.652C. Впоследствии в рамках этой же рекомендации фирмой Corning разработано волокно NexCor, у которого сдвинут на 3-3.5 дБ порог наступления Брюллиэновского рассеяния, что позволяет вдвое увеличить мощность, передаваемую по волокну. Волокно предназначено для работы во втором и третьем окне прозрачности. Волокна по рекомендации G.652 (A,B и C) составляют 57% всего производства волокна. 3) Рекомендация G.653 касается волокна DSF (dispersion shifted), у которого точка нулевой дисперсии смещена из точки 1.3 мкм в точку 1.55 мкм. Применения не получило. 4) Рекомендация G.654 – волокно, похожее на волокно G.652, но с улучшенными характеристиками по затуханию (до 0.15 дБ/км). 5) Рекомендация G.655. Это волокно со смещённой, но не нулевой дисперсией NZDSF (non zero dispersion shifted fiber). Дисперсия смещена, но не в точку 1.55 мкм, а к границе области работы ОУ. Это волокно в 3-5 раз дороже волокна G.652, 32% всего производства. Наиболее распространённы волокна типа LEAF (оптимизированное для линий до 2500 км), Metro (оптимизированное для линий до 500 км), True Wave, SMF-LS и др. 6) Рекомендация G.656 – то же, что и G.655, но с улучшенными характеристиками, оптимизированное для применения в системах WDM, например, волокно SMF-28 ULL со сверхнизким затуханием (0.17 дБ/км) и минимальным значением ПМД (0.04 пс/км1/2 ). 7) Рекомендация G.657 для волокна с уменьшенной величиной затухания изгиба. Подобные волокна разработаны фирмами Corning и OFS. Фирмой Corning разработано волокно SMF-28e XB (Extra Bend) с уменьшенным затуханием изгиба и волокно с наноструктурированной сердцевиной ClearCurve с сильно уменьшенной величиной затухания изгиба. Потери на изгиб различных типов волокон показаны на рис.4.8. Следует иметь в виду, что хотя на графике рис.4.8 показаны затухания при радиусах изгиба 5-10 мм, не всегда такие радиусы изгиба допускаются правилами и спецификациями.
Рис.4.8. Затухание изгиба некоторых типов волокон Расчёт потерь в здании во время осуществления программы FTTH (волокна к дому) при наличии, например, 12 изгибов и 20 скоб даёт, что потери на изгиб для волокна типа G.652D составляют 18 дБ, для G.657B - 1.3 дБ, для ClearCurve - 0.13 дБ, для фотонно-кристаллического волокна - 0.01 дБ. Таким образом, в современных волокнах сильно изменился график затухания в зависимости от длины волны, уменьшилось затухание в области пиков непрозрачности, и второе и третье окно практически слились, так что волновое уплотнение стало возможно во всей области от 1.3 до 1.6 мкм. Отдельные части этой области получили собственные названия (см. рис. 4.9). Верхняя кривая на рис.4.9 представляет затухание классического волокна, нижняя – современного. Сети доступа в настоящий момент потребляют 55% всего волокна, городские сети – 30 %, магистральные сети дальней связи – 10 %.
Рис.4.9. Современный вид кривой затухания и окон прозрачности Расшифровка обозначений следующая: I (780-860 нм) – первое окно прозрачности; O (1260-1360) – original – основное, первоначальное; Е (1360-1460) – extended – расширенное; S (1460-1530) – short wave length - коротковолновое; С (1530-1565) – conditional – стандартное; L (1565-1625) – long wave length – длинноволновое; U (1625-1675) - ultra – сверхдлинноволновое. Кроме оптических волокон на основе кремния существуют и выпускаются волокна на основе полимеров. Ведутся также работы по разработке новых типов фотонно-кристаллических волокон, и волокон на основе халькогенидных стёкол. |
