Изготовление оптических волокон. Оптические кабели

4.1. Методы изготовления оптических волокон

Существуют 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.

4.2. Щелочное стекло

Сложные 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.

4.3. Халькогенидные стёкла

Затухание 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.

4.4. Полимерные волокна

Первые 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

2 – дейтерированное ПMMA

3 – волокно ГПОВ

4 - обычное оптическое кварцевое волокно

и при небольших длинах удобно для использования в военных машинах, самолётах и ракетах.

4.5. Основные конструкции оптических кабелей

Существует 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.

4.6. Кабели, изготавливаемые промышленностью России

В 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.