Волоконно-оптические кабельные линии

По световоду распространяется ... «невидимый» свет. Это может показаться несколько неожиданным, тем более, что в рекламных журналах можно увидеть красочные фотографии, на которых свет эффектным веером льется из стеклянных нитей – оптических волокон. Но это не так!

А разве свет бывает невидимым? Если быть точным, то следует сказать, что светом называют электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. Длина волны этого излучения 0,4 – 0,75 мкм. Но часто физики называют светом и невидимые электромагнитные волны, длины которых лежат далеко за пределами этого интервала: 0,01 – 340 мкм.

Сейчас в технике связи по оптическим волокнам широко используется длина волны 0,85 мкм, которая находится за зримым диапазоном. Чем это вызвано? Чуть позднее мы ответим на данный вопрос, а пока взгляните на оконное стекло. Вам кажется, что ничего более прозрачного для света придумать нельзя? Однако если сделать из этого стекла нить и ввести в нее луч лазера (например, гелий-неонового, l = 0,63 мкм), то даже при достаточно короткой ее длине свет настолько ослабится, что не будет излучаться из противоположного торца нити. Значит, обычное стекло не так уж прозрачно, как хотелось бы, и луч в нем, «спотыкаясь», не доходит до финиша. Действительно, пачка из нескольких стекол кажется уже не прозрачной, а зеленой, а торец ее – вообще черным.

Прозрачность стекол зависит от наличия в нем примесей различных элементов. Чем меньше примесей, тем стекло прозрачней. При изготовлении световодов из стекла нужно обеспечить очень высокую степень его очистки. Получить сверхчистое стекло удалось совсем недавно. Это сделал в 1970 г. инженер американской фирмы «Corning glass company» по фамилии Капрон. Он и его сотрудники изготовили тонкую стеклянную нить очень высокой (по тем временам) степени прозрачности: в такой нити свет на рас­стоянии в 1 км ослабляется в 100 раз.

Дальнейший прогресс в технологии получения сверхпрозрачных оптических волокон позволил уже в 1972–1973 гг. уменьшить ослабление света: теперь на таком же расстоянии он ослаблялся только в 3 раза. В лучших образцах современных световодов, изготовленных из сверхчистого кварцевого стекла, интенсивность света на длине 1 км уменьшается всего в 1,05 раза.

Как получают сверхчистое стекло? Это очень трудоемкий про­цесс. Чтобы иметь о нем хотя бы отдаленное представление, мы расскажем, как делается стекло из кварца.

Кварц – это оксид кремния (SiO₂). При температуре выше 1710°С кварц плавится и переходит в жидкое состояние. Можно было бы варить из кварца стекломассу и затем вытягивать из нее волокно. Однако в данном случае трудно избавиться от примесей и изготовить сверхчистое стекло, поэтому поступают следующим образом. Сначала получают с помощью химической реакции «газообразный» кварц (или, еще говорят, его газовую фазу), в таком состоянии примесей в кварце почти нет. Затем путем охлаждения осаждают его в твердом виде на внешней или внутренней поверхности цилиндрического стержня. Этот метод так и называют – химическое осаждение из газовой фазы.

Рассмотрим случай (рис. 5.7), когда осаждение кварца происходит на внешней поверхности стержня (его называют затравочным). В горелку наподобие бунзеновской подают газовую смесь: горючий газ – для создания высокотемпературного пламени; газ в виде соединения кремния с хлором (хлорид SiCl₄) – как основной «держатель акций» кремния; кислород (О₂) – для получения реакции окисления хлорида. В жарком пламени горелки (до 1600°С) кремний и кислород воссоединяются, и рождаются мелкие порошкообразные частицы высокочистого кварцевого стекла (SiO₂), а отделившийся в самостоятельный газ хлор (2Cl₂) улетучивается через вытяжной колпак.

На расстоянии 15 см от горелки вращается и перемещается вдоль нее затравочный стержень, к поверхности которого и прилипают эти порошкообразные частицы. За 1 мин на стержне осаждается 0,5...1,0 г стекла. Когда толщина слоя достигает нужного размера, процесс останавливается и стеклянную заготовку снимают с затравочного стержня. По­лучается стеклянная труб­ка, а нужна сплошная цилиндрическая заготовка. Как быть? Что дальше делать?

Следующая стадия процесса состоит в нагревании трубчатой заготовки пламенем приблизительно до 1900°С. За счет сил поверхностного натяжения, возникающих в раз­мягченной трубке, происходит «схлопывание» (есть такой специальный термин) труб­­чатого цилиндра в сплош­ной. Полученную стеклянную заготовку вытягивают в тонкое оптическое волокно. Например, из заготовки 1 м и диаметром 1 см можно вытянуть стеклянную нить диаметром 100 мкм и длиной 10 км.

Конечно, описанный способ изготовления оптического волокна не единственный, и материалы для него используются разные, не только кварц. Мы ограничились описанием (да и то в самых общих чертах) процесса, разработанного американской фирмой «Corning glass», чтобы читатель смог составить представление о технологии производства прозрачных стекол для световодов.

И все же, как ни стараются сделать стекло сверхчистым, свет в нем все равно ослабляется. Ослабление света происходит по двум причинам: он рассеивается за пределами стеклянной нити и поглощается в ней молекулами и атомами «вредных» примесей, находящихся в стекле. Установлено, что рассеяние света зависит от длины волны передаваемого излучения. Чем короче длина вол­ны, тем выше рассеяние света.

Если посмотреть на график ослабления света в стеклянном волокне (рис. 5.8), построенный для различных длин волн, то на нем можно увидеть так называемое окно прозрачности, в котором ослабление сравнительно небольшое.

Следует сказать, что в технике связи ослабление измеряют обычно не в «разах», а в специальных единицах – «белах» (в честь изобретателя телефона А.Г. Белла). Чтобы получить «белы», нужно прологарифмировать «разы». Эти единицы особенно удобны, когда речь идет об ослаблении в огромное число раз. Например, если ослабление в «разах» составляет миллион, то в «белах» – это всего 6 (lg 1 000 000 = 6). Ослабление в 1 000 раз соответствует 3 Б (lg 1 000 = 3). Дальше все понятно: 100 раз – это 2 Б, 10 раз – 1 Б. Перевод в белы величины «3 раза» даст 0,5 Б, а величины «1,05 раза» – 0,02 Б. Для практики бел – слишком крупная единица, поэтому чаще используют более мелкую – децибел (1 Б = 10 дБ подобно тому, как 1 м = 10 дм).

Таким образом, и завоевания в области прогрессивных стеклотехнологий можно в полной мере оценивать децибелами (на сегодня ослабление света, или потери его интенсивности, в волокне составляет 0,2 дБ/км).

Однако взглянем еще раз на «окно прозрачности». Оно охватывает длины волн, расположенные в диапазоне ближнего инфракрасного излучения (0,85...1,8 мкм), т.е. в области «невидимого» света. Правда, внутри окна для некоторых излучений (0,95; 1,24; 1,39 мкм) наблюдаются всплески ослабления. Это вызвано тем, что колебания света «попадают в такт» (в резонанс) с колебаниями ионов «вредных» гидроксильных групп ОН – непрозрачной компоненты стекла, от которой, как правило, не удается избавиться даже при изготовлении сверхчистых стекол. Возникает резонансное поглощение света ионами этих групп.

Теперь становится понятным, почему в световодах предпочитают иметь дело с волнами невидимого света, за исключением, конечно, тех волн, которые сильно поглощаются.

Известно, что скорость света v в прозрачном веществе меньше скорости света с = 300 000 км/с в вакууме. Отношение с/v обозначили буквой n и назвали показателем преломления света в веществе. Но разве можно сломать световой луч? Оказывается можно. Опустите в стакан с водой ложку (рис. 5.9). На границе раздела между воздухом и водой ложка покажется вам сломанной. Это случилось потому, что на границе воздуха и воды световые лучи из-за разных скоростей распространения (в воде скорость в 1,33 раза меньше, чем в воздухе) преломились.

Итак, когда луч света попадает на границу раздела двух веществ с показателями преломления и (у воздуха этот показатель равен 1), возникают отраженный луч (помните, «угол падения равен углу отражения»?) и преломленный лучи. Первый, отражаясь от поверхности, остается в веществе, а вот второй выходит за его пределы. Для вещества – это потери, рассеяние света.

В оптике существует формула, по которой, зная показатели преломления n₁ и n₂ веществ и угол q падения (отражения) луча, можно найти, под каким углом q_пр он преломляется:

.

Конечно, при передаче света по волокну хотелось бы, чтобы свет только отражался от границы и не рассеивался за пределы вещества в виде преломленных лучей. Это начинает происходить с того момента, когда угол q_пр достигает 90°: наступает полное отражение. Приведенная выше формула позволяет вычислить, под каким углом луч должен падать при этом на границу раздела веществ. Например, волокно из стекла с показателем n₁ = 1,46, помещенное в воздухе (n₂ = 1), будет полностью отражать те световые лучи, которые попадают на его боковую поверхность под углом q > 45°.

Не следует забывать, что свет вводят в торец волокна. Здесь картина иная: на боковую поверхность волокна будет падать луч, преломленный его торцом. И падать он должен так, чтобы полностью отражаться от боковой поверхности (см. рис. 5.9). Возникает вопрос: под каким же углом надо вводить луч в волокно? Оказывается, что в стеклянных волокнах, показатель преломления которых равен или больше 1,46, все световые лучи, попадающие на торец, направляются вдоль волокна и свет не рассеивается. К ним относятся и волокна из кварцевого стекла, показатель преломления которых как раз равен 1,46.

Однако, «голые» волокна в оптических кабелях не используются. И вот по какой причине. Для сохранения оптических свойств волокна в условиях эксплуатации необходимо защищать его поверхность от влаги и от истирания во время операций намотки и изготовления кабеля. Кроме того, голые стеклянные волокна при образовании на их поверхности микротрещин могут самопроизвольно обрываться; это связано с концентрацией механических напряжений на поверхности волокна. Поэтому стеклянную нить помещают внутрь защитного пластмассового покрытия. Чтобы не нарушить условия распространения световой волны в волокне (пластмасса это не воздух), его делают из двух слоев стекла: внутренний слой образует сердцевину волокна, а внешний слой является оболочкой. Показатель преломления оболочки делают ниже показателя преломления сердцевины, так что практически все световые лучи распространяются внутри сердцевины.

Сделать двухслойное волокно с различными показателями пре­ломления не так уж сложно. Когда на затравочном стержне наращивают слой кварцевого стекла, в нужный момент (т.е. при получении его толщины, соответствующей сердцевине волокна) в газовую смесь, подаваемую в горелку, добавляют присадки, которые

изменяют показатель преломления следующего слоя –оболочки. Таким путем можно получить и волокно, состоящее из нескольких слоев с различными показателями преломления.
Оптические волокна, у которых показатель преломления меняется скачком (ступенькой) при переходе от сердцевины к оболочке (или к оболочкам), назвали ступенчатыми.

Обычно показатели преломления сердцевины и оболочки различаются незначительно. Например, если показатель преломления сердцевины n₁ = 1,465, то показатель преломления оболочки n₂ = 1,460. Расчет по приведенной ранее формуле показывает, что в сердцевину войдут не все лучи, а только те из них, которые подходят к торцу под небольшим углом. Если к тому же сделать сердцевину очень тонкой, скажем 5...10 мкм (это тоньше человеческого волоса), то по ней сможет распространяться всего один луч или, одна мода. Весь же волоконный световод вместе с оболочкой имеет стандартный диаметр – 125 мкм. Такой световод называется одномодовым (рис. 5.10, в). В него лучше направлять острый луч полупроводникового лазера (рис. 5.11), т.к. рассеянный поток света от светодиода ввести в тонкую сердцевину очень трудно.

На практике широко применяются также волокна с толстой сердцевиной – 50...80 мкм (внешний их диаметр оставляют неизменным – 125 мкм). С такими световодами могут уже без особых сложностей «работать» недорогие и изготавливаемые в массовом количестве светодиоды. В связи с тем, что в толстую сердцевину волокна могут войти (и будут распространяться по ней) сразу много лучей (или мод), а не один, как в одномодовом волокне, световод такой конструкции получил название многомодового (рис. 5.10, а).

У читателя может сложиться впечатление, что использовать многомодовое волокно гораздо выгоднее, чем одномодовое: и высокая точность изготовления сердцевины не требуется, и дорогостоящий источник света (полупроводниковый лазер) не нужен, и меньшие сложности возникают при соединении волокон друг с другом и волокна с источником (можно обойтись без специальных разъемов, изготовленных с очень высокой точностью и потому стоящих очень дорого). Однако это не так. У многомодовых светодиодов есть один существенный недостаток, сводящий на нет все их преимущества.

Представьте себе, что по такому волокну передаются импульсы с очень высокой скоростью, например 1 Гбит/с (миллиард бит в секунду). Каждому импульсу соответствует очень короткая вспышка света длительностью 1 нс (миллиардная доля секунды – ее трудно даже себе представить! ). Так должно быть. И так было бы, если бы вдоль волокна распространялся всего один луч. Но в многомодовом волокне распространяется много лучей: один из них проходит более короткий путь – вдоль оси сердцевины, а другие, которым приходится отражаться от боковой поверхности бесконечное число раз, – самый длинный путь. И это разница в пути возрастает с увеличением длины волокна.

За счет опоздавших к «выходу на сцену» лучей световой импульс «размажется» во времени. Сложится такая ситуация: уже давно пора передавать следующий импульс, а еще не «погасли» вспышки света от предыдущего. Чтобы этого не случилось, придется уменьшать скорость передачи до тех пор, пока вспышки света не будут четко отделены одна от другой интервалами времени.

Ограничение скорости передачи цифровой информации – вот основной недостаток многомодовых светодиодов. Предельная ско­рость передачи по ним – 20 Мбит/с. Зато по одномодовым световодом можно «гнать» информацию со скоростью 100 Гбит/с, т.е. в 5000 раз быстрее.

Для того чтобы реализовать достоинства многомодовых световодов и в то же время повысить скорость передачи информации по ним, ученые предложили делать световоды не ступенчатыми (т.е. не со скачкообразным изменением показателей преломления сердцевины и оболочки), а, как говорят специалисты, градиентными – с плавным изменением показателя преломления сердце­вины от одного края до другого (рис. 5.10, б). Такой маневр поз­воляет в какой-то мере выровнять время хода различных лу­чей и уменьшить «размывание» (специалисты говорят: дисперсию) све­товых импульсов. Скорость передачи по таким волокнам воз­рас­тает по сравнению со ступенчатыми волокнами в 100 раз, т.е. до 2 Гбит/с. При изготовлении градиентных волокон нужно следить за тем, чтобы количество присадок в газообразной смеси горелки, «отвечающих» за показатель преломления, при осаждении слоя сердцевины непрерывно менялось по нужному закону.

Итак, мы познакомились с различными типами оптических волокон. Но волокна не применяются отдельно. Их объединяют в оптические кабели. По внешнему виду они очень походят на электрические и могут содержать от нескольких десятков до нескольких сотен волокон.

Оптические кабели ни в чем не уступают электрическим! Их можно прокладывать в земле и под водой, подвешивать на опорах, протягивать в кабельных канализациях. Они легко изгибаются – световоды не ломаются даже тогда, когда радиус изгиба очень мал, меньше 1 см; они прочны на разрыв – само волокно из-за его однородности оказалось крепче стальной струны того же диаметра, да и в кабель вводятся специальные упрочняющие (армирующие) элементы; хорошо защищены от влаги и сырости – иначе бы стекло помутнело и изменило свои оптические свойства. Оптические кабели во многом превосходят электрические! Они имеют бóльшую пропускную способность. При одинаковой пропускной способности они в 5–6 раз тоньше и в 10 раз легче электрических. Оптическим кабелям не страшны удары молний, их не разъедает коррозия; на них не влияют ни радиостанции, ни метрополитен; в них не рождаются взаимные помехи. А сколько дефицитной меди экономят эти кабели! Между тем запасы кварцевого стекла в природе практически не ограничены. Без риска ошибиться предречем: за ними будущее.

Сейчас оптические кабели переживают свой «младенческий возраст», но чуть ли не каждый день они находят себе новые применения: связывают между собой города и континенты, соединяют АТС разных районов города, приходят в квартиры жителей.

Контрольные вопросы

Какова конструкция городских (междугородных) медных кабелей связи?

Какие типы радиолиний вы знаете?

Как получают оптическое волокно?

Какие существуют типы оптических волокон?

Каким образом цифровой сигнал вводится в оптическое волокно?

В чем преимущества оптических кабелей по сравнению с медными?

Список литературы

Крук Б.И., Попов Г.Н. …И мир загадочный за занавесом цифр: Цифровая связь. – 2-е изд., испр. – Новосибирск: ЦЭРИС, 2001. – 264 с.

Белоруссов Н.И. Электрические кабели, шнуры и провода. Справочник. – М.: Энергоатомиздат. 1988. – 536 с.

Семенов А.Б. и др. Структурированные кабельные системы. – М.: Компьютер Пресс, 1999. – 421 с.

Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. – М.: ЭКО-Трендз, 1998. – 266 с.

Скляров О.К. Современные волоконно-оптические системы передачи. – М.: СОЛОН-Р, 2001. – 237 с.