Определение места и характера повреждения оптического кабеля.

Соединение волокон

В процессе монтажа оптической магистрали осуществляется стационарное (неразъемное) соединение отдельных строительных длин кабеля. При вводе оптического кабеля в здание или регенераторные пункты для многократного соединения–разъединения с оптоэлектронным оборудованием применяются разъемные соединители – коннекторы.

Соединение оптических волокон осуществляется в нижеприведенной последовательности.

1. Подготовка торцов волокон. До начала соединения двух волокон требуется некоторая подготовка торцов стекловолокон, которая заключается в удалении первичного защитного покрытия с последующей заготовкой гладкого их торца путем скалывания или полировки.

Для удаления первичного покрытия с волокна можно использовать химические и механические способы зачистки.

Для химической зачистки применяются растворители красок, которые содержат в качестве активного вещества метилен хлорид. После замачивания концов стекловолокон в емкости с растворителем в течение минуты происходит размягчение первичного защитного покрытия, которое при незначительных усилиях снимается с волокна. Очищенное волокно вытирается мягкой тканью, смоченной спиртом или ацетоном. При заводском способе зачистки в качестве активного вещества с соответствующими предосторожностями применяют горячую серную кислоту.

Механическая зачистка нашла широкое применение при подготовке торцов волокон в полевых условиях. В качестве инструмента применяется аналогичное устройство, которое используется для снятия изоляции с медных проводов, но отличающееся большей точностью, чтобы исключить повреждение волокон режущими лезвиями. Такое устройство носит название стриппер. Очищенное волокно вытирается сухой мягкой тканью или смоченной спиртом или ацетоном.

Скалыванием называют подготовку торца волокна с нанесением царапины и последующим разломом. Для нанесения царапины используется, как правило, алмазное лезвие. После нанесения царапины волокно растягивается, что вызывает рост засечки и скалывается. Обе эти операции можно выполнить с помощью специального устройства – скалывателя. Зачищенное волокно вставляют в данное устройство, зажимают его, давлением на рычаг царапают волокно, захватывая и растягивая его зажимом, ломают.

В идеале скол волокна должен быть перпендикулярен. Любое откло­нение не должно превышать 1–2 градуса. Качество скола торца волокна зависит от скалывающего устройства и опыта оператора. Плохой скол создает дефекты типа выступа, матовости или волнистости, которые приводят к потерям на стыке.

Шлифовка и полировка торца волокна производится с помощью разнообразных держателей на сухой абразивной бумаге или бумаге, смоченной для отвода тепла водой или абразивными пастами.

После скола или полировки подготовленное волокно необходимо обследовать при помощи микроскопа или десятикратной лупы. При наличии неоднородностей требуется повторить скалывание или продолжить полировку.

В одномодовом соединении с плоскими полированными контактами и при наличии воздушного зазора между сопрягаемыми волокнами, как отмечалось выше, часть энергии отражается назад к источнику и создает возвратные потери (рис. 60, а). Уровень отраженной мощности может достигать 11 дБ, что вполне достаточно для проявления интерференции встречных излучений и ее воздействия на работу лазерного диода.

Одним из способов уменьшения возвратных потерь является закругление концов волокон при полировке (рис. 60, б).

Рис. 60. Распространение отраженной энергии при соединении оптических волокон: а – с плоскими торцами; б – с закругленными торцами

При этом уменьшение отражения происходит по двум причинам. Во-первых, соединяемые волокна в этом случае контактируют более плотно, что уменьшает отражение, обусловленное разностью показателей преломления воздуха и волокна. Остается только зеркальное отражение, связанное с вариациями оптических свойств волокон. Во-вторых, при скруглении концов волокон отсутствует обратное отражение к источнику. Отражение обычно происходит в сторону, и отраженное излучение покидает волокно.

2. Сращивание. Сращивание осуществляется методом сварки или с помощью механического сростка.

Сварка является наиболее распространенным способом соединения волокон и заключается в местном нагреве границы раздела двух состыкованных и предварительно отцентрированных торцов волокон, в результате которого они сплавляются друг с другом. В качестве источника энергии используется электрическая дуга, возникающая между электродами, пламя газовой горелки или лазер. Наибольшее распространение получила электрическая дуга, поскольку она позволяет довольно просто регулировать нагрев и работать в полевых условиях.

Установка для сварки предусматривает следующие операции.

Очищенные и сколотые торцы волокон зажимают на позиционных платформах с определенным зазором, который позволяет их центрировать вручную или автоматически. После выравнивания производится скругление торцов волокон (предварительное оплавление) маломощной дугой, с выжиганием при этом посторонних веществ. После этого увеличивают температуру дуги, и нагретые торцы волокон сводят вместе, вдавливая друг в друга на определенную длину (длину хода сжатия). Вдавливание (обычно несколько микрон) предотвращает образование горловины в месте сращивания. После вдавливания температуру дуги постепенно уменьшают до полного выключения установки. Образовавшийся сросток подвергают проверочным испытаниям, затем восстанавливают защитное покрытие и при необходимости усиливают.

Качество сварки зависит от расстояния между электродами, времени предварительного оплавления и собственно сварки, тока электрической дуги и длины хода сжатия.

По принципу действия сварочные аппараты подразделяются на аппараты с ручным управлением, полуавтоматические и автоматические.

В аппаратах первого типа S-146 (Furukawa), FSM-0,5 (Fujikura), X73 (SIEMENS) и других после закрепления волокон в микропозиционерах производится их автоматическое сведение. Все операции, связанные со сваркой, выполняются вручную. Как правило, значение потерь для данного класса сварочных аппаратов составляет 0,1 дБ для одномодовых и 0,05 дБ для многомодовых световодов.

В аппаратах второго типа S-148 (Furukawa), FSM-15S (Fujikura) и X-75 (SIEMENS) центрирование также осуществляется посредством V-образных канавок, однако сведение волокон и процесс сварки проводятся в автоматическом режиме по предварительно заданной программе, определяемой типом свариваемых волокон. Значение потерь при этом составляет 0,04–0,05 дБ для одномодовых волокон и 0,03 дБ – для многомодовых волокон.

Большинство современных сварочных устройств содержат микропроцессоры, которые выполняют все операции сварки полностью автоматически. К данному типу сварочных аппаратов относятся следующие устройства: S-174H/S-174K (Furukawa), FSM-30S (Fujikura), TYPE-35S/TYPE-36 (Sumitomo Electric), X60/X77 (RXS GmbH-SIEMENS) и FSU 975 (ERICSSON).

Рассмотрим возможности таких устройств на примере сварочного аппарата фирмы Sumitomo TYPE 35 SE.

Этот аппарат позволяет сваривать любые типы волокон в ручном и автоматическом режимах, тестирует волокно перед сваркой, устанавливает оптимальные параметры работы, оценивает качество поверхностей волокон перед сваркой, измеряет потери в месте их соединения и, если это необходимо, дает команду повторить сварку. Кроме этого аппарат защищает место сварки специальной гильзой и проверяет на прочность сварное соединение. Аппарат позволяет сваривать одномодовые и многомодовые стекловолокна с потерями соответственно 0,02 и 0,01 дБ, что является превосходным результатом. Однако аппараты довольно дороги. Тем не менее предпочтение отдается именно им, так как, используя их, достигают две цели:

– высокое качество сварки;

– высокую скорость работ, что немаловажно при выполнении ответственных заказов (срочная ликвидация аварии на магистральной линии связи).

Компанией Sumitomo Electric Industries разработан сварочный аппарат для одновременного сращивания нескольких волокон оптического кабеля ленточного типа, что позволяет резко сократить время и расходы на сварку.

Под словосочетанием механические сростки подразумевают все несварные соединения. Разработано большое разнообразие механических сростков. Но для всех них требуются подготовка оптических волокон к соединению (скалывание или полировка торца волокна) и вещество для выравнивания показателя преломления отдельных стекловолокон, элементы для их центрирования, а также зажимы или клей для фиксации положения.

Выравнивающим веществом может служить гель, смазка или клей.

Гель используется как жидкость, которая, затвердевая, образует устойчивое связывающее вещество. Смазки не затвердевают, поэтому они менее стабильны к окружающим условиям.

Механическое сращивание подразделяется на активное или пассивное в зависимости от того, производится ли выравнивание волокна для оптимизации потерь или нет.

При механическом сращивании отдельных волокон доминируют три технологии:

– четырехстержневые направляющие компании TRW;

– эластомерные сростки компании GTE;

– вращаемый сросток компании AT&T.

Начиная с 1980 г. компания TRW освоила выпуск механических сросток Optasplice. Основой этой конструкции являются направляющие, состоящие из четырех стеклянных стержней, которые образуют ромбо­идальное отверстие с четырьмя V-образными желобками (рис. 61).

Волокна вставляют в отверстие, а пустые пространства заполняют выравнивающим клеем, который затвердевает под действием ультрафиолетового излучения. Поверх направляющих надевают защитную трубку из нержавеющей стали.

В 1981 г. компания GTE освоила выпуск механических сростков, основу которых составляют две вставки из эластомерного полистирола (рис. 62).

Одна из вставок имеет по всей длине V-образный желобок с углом 60°, а вторая – плоскую поверхность. Сложенные вставки центрируют и прижимают предварительно заготовленные волокна. Надетая поверх стеклянная трубка фиксирует сросток. Свободные пространства заполняют затвердевающим клеем.

Точной подстройки можно добиться во вращаемом механическом сростке компании AT&T, внедренном в 1985 г. (рис. 63).

Рис. 63. Соединение волокон с помощью вращаемого сростка

В этом сростке для подготовки торцов волокон используют полировку. Сросток можно легко подстраивать путем вращения двух стеклянных втулок, в которые вставляются волокна. Втулки закрепляются в треугольных муфтах. После выравнивания волокон свободные пространства заполняют затвердевающим клеем.

И, наконец, в 1988 г. компания 3М освоила выпуск сростка оптических волокон Fibrlock (рис. 64).

В этом сростке волокна выравнивают и зажимают в V-образном элементе из алюминиевого сплава. Сжимание производится с помощью пластмассовой крышки. Все пустоты заполняются выравнивающим веществом.

Без активной подстройки все рассмотренные механические сростки обеспечивают величину затухания при сращивании одномодовых световодов не более 0,2 дБ. При подстройке потери на сростке не превышают 0,05 дБ.

Многоволоконные соединители целесообразно использовать при сращивании волокон ленточных кабелей.

Фирмой AT&T разработан быстрый ленточный сросток, который обеспечивает одновременное соединение 12 волокон в полевых условиях.

Все сростки в ленте полируют одновременно, зачищают и укладывают в пазы на гравированной полимерной подложке. Поверх накладывают крышку и зажимают пружинами. Через отверстие в крышке заполняют все пустоты выравнивающим веществом. Средние потери при сращивании многомодовых волокон составляют менее 0,3 дБ и для одномодовых волокон – 0,5 дБ.

Оптические коннекторы – это механическое устройство предназначенное для многократных соединений. Они обеспечивают быстрый способ переконфигурации оборудования, проверки волокон, подсоединения к источникам и приемникам света.

Перед установкой коннектора торец волокна зачищают, а затем скалывают или полируют. Коннекторы в основном создают большие потери, чем сростки, так как в них обычно не используется выравни­вающее показатели преломления вещество, и они не подстраиваются.

Коннектор для соединения одиночных волокон состоит из двух основных частей: штекера и соединителя.

Штекер состоит из цилиндрического или конического наконечника с волокном внутри капиллярного отверстия, проходящего по центральной оси наконечника. Наконечники изготавливают из керамики, пластмассы или нержавеющей стали.

Керамические наконечники обладают лучшими качествами и применяются для соединения одномодовых волокон. Керамика является достаточно прочным материалом, позволяющим высверливать отверстие под волокно с высокой точностью. Кроме того, она сохраняет высокие технические характеристики в широком диапазоне температур и других внешних воздействий. Для наконечников используется два вида керамики: окись алюминия и окись циркония. Первоначально применяли окись алюминия – твердый, неэластичный материал, позволяющий очень точно выдерживать допуски в процессе его изготовления. Коэффициент теплового расширения окиси алюминия (степень уменьшения или увеличения линейных размеров образца при изменении температуры) очень близок к аналогичному коэффициенту для стекла. Недостатком данного материала является его хрупкость и разрушение при незначительных давлениях. Кроме того, полировка окиси алюминия достаточно сложна, особенно в полевых условиях. Окись циркония – более мягкий вид керамики и более устойчивый по отношению к механическим ударам. К тому же он достаточно прочен и позволяет выдерживать допуски подобно окиси алюминия, но в отличие от нее легче полируется.

Пластмассовые наконечники обладают меньшей стоимостью, но обеспечивают менее качественное соединение.

Наконечники из нержавеющей стали имеют промежуточные характе­ристики. Их широкое применение объясняется высокой прочностью и меньшей хрупкостью по сравнению с керамикой.

Наиболее распространенный размер наконечника равен 2,5 мм в диаметре, что фактически стало стандартом.

Штекер имеет резьбовую крышку, которая удерживает его и соединитель вместе. Для приложения контролируемой нагрузки на границу волокон крышка может иметь пружину, для предотвращения поворота штекера внутри соединителя – ключ, для ограничения минимального радиуса изгиба волокна при вводе в штекер – защитную трубку, для предотвращения выдергивания волокна – рукав для снятия деформации.

Для закрепления волокна в соединителе применяется эпоксидный клей, после застывания которого волокно вместе с наконечником полируется для обеспечения гладкости среза соединителя.

В настоящее время разработана бесклеевая технология. Корпус такого соединителя имеет дополнительный наконечник, позволяющий закрепить волокно как на конце, так и у основания соединителя. Такие обжатые волокна имеют технические характеристики, не уступающие клеевому закреплению, однако по времени установки выгодно отличаются от последнего.

Рассмотрим наиболее распространенные типы коннекторов.

Коннектор FC разработан японской компанией NTT (Nippon Telephone and Telegraph) и обеспечивает высококачественное соединение как многомодовых, так и одномодовых световодов. Коннектор имеет наконечник диаметром 2,5 мм, который изготавливается из керамики, нержавеющей стали или композита. Зачищенное волокно вставляется в отверстие в центре наконечника, закрепляется и полируется. Коннектор имеет разъединительную муфту, мягко расположенную в корпусе соединителя, подпружиненную резьбовую крышку и ключ.

Аналогичный по устройству коннектору FC коннектор D4 разработан японской компанией NEC (Nippon Electric Corporation) для использования в многомодовых и одномодовых световодах. Отличительным признаком является применение 2,0 мм наконечника.

Коннектор ST, выпускаемый компанией AT&T, представляет собой высококачественный малогабаритный соединитель, который нашел применение для стыковки как многомодовых, так и одномодовых световодов. Штекер коннектора ST состоит из цилиндрического наконечника, изготовленного из керамики, полимера или нержавеющей стали диаметром 2,5 мм. Наконечник выравнивается муфтой, мягко расположенной в корпусе соединителя, с поперечным сечением, напоминающим сечение поршневого кольца в бензиновых двигателях. Этим достигается равномерное распределение в муфте радиальной силы, которая действует на вставляемый наконечник. Наличие ключа и пружины, контролирующей силу на конце наконечника, уменьшает вероятность повреждения волокон. В отличие от других типов коннекторов коннектор ST имеет не резьбовую крышку, а защелкивающийся байонетный механизм. Поворот крышки на 45° завершает соединение.

Данный тип соединителя производится примерно тридцатью компаниями и является наиболее распространенным. Он широко используется в локальных сетях, внутренних кабельных системах, тестовом оборудовании и т. д.

Коннектор SC (subscriber connector) выпускается компанией NTT и применяется как для одномодовых, так и для многомодовых световодов. Он пришел на смену коннекторам FS и D4 в современных глобальных телекоммуникационных системах и составил серьезную конкуренцию коннектору ST в локальных сетях и аналогичных областях применения. Коннектор SC отличается простотой конструкции. Он состоит из корпуса с наконечником, корпуса соединителя, обжимного кольца, резинового выпрямляющего хвостовика и пылезащитного колпачка. Наконечник диаметром 2,5 мм изготавливается из керамики: окиси алюминия или окиси циркония. Защелкивающий механизм надежно фиксирует соединение.

Коннекторы SMA (Sub-Miniature type A) применяются для соединения многомодовых световодов. SMA поставляется в двух моделях: 905 и 906. SMA штекер состоит из цилиндрического наконечника (диаметр для соответствующих моделей 3,2 мм и 3,0 мм), изготовленного из полимера или алюминия, стали, латуни или керамики. В 906-й модели для лучшего выравнивания применяется полимерная выравнивающая муфта, которая надевается на кончик наконечника. SMA штекеры подсоединяются к своим соединителям посредством гайки с резьбой. Давление на стыке зависит от того, насколько туго завернута гайка, что предопределяет величину потерь на стыке.

Биконические коннекторы выпускаются компанией AT&T и используются для соединения как многомодовых, так и одномодовых световодов. Наконечник такого коннектора имеет форму усеченного конуса, а соединяющая муфта имеет два соответствующих внутренних сужения, отчего коннектор получил название биконический. Сужения обеспечивают легкость вставки штекера и незначительное истирание наконечника и муфты, что придает ему большую долговечность по сравнению с остальными типами коннекторов. Наконечник и муфту биконических коннекторов изготавливают из полимера или нержавеющей стали. Торцы волокон только полируются. Пружина, расположенная в штекере, гарантирует контролируемую продольную нагрузку, действующую на муфту независимо от силы завинчивания. Для предупреждения вращения наконечника в муфте в штекере установлен ключ, который выравнивается с пазом на соединительной муфте.

Из большого разнообразия многоволоконных коннекторов необходимо выделить дуплексные коннекторы, которые предназначены для одновременного подсоединения двух волокон к приемопередатчику. В этих коннекторах используются те же втулки и муфты, что и в одиночных, только они располагаются в специальном корпусе.

Коннекторы FDDI MIC сконструированы ANSI (Американский национальный институт стандартов) для использования в FDDI сетях. Данный тип соединителя имеет наконечники диаметром 2,5 мм, которые находятся в корпусе, защищающем их от повреждений. Мягкий интерфейс позволяет организовать соединение без особых усилий. Наличие защелок на корпусе обеспечивает надежную фиксацию соединения.

Коннектор ESCON получил свое название благодаря использованию компанией IBM в ESCON-интерфейсе канального типа. Он аналогичен коннектору FDDI. Принципиальное отличие заключается в отодвигаемом корпусе, который позволяет легко подключить соединитель к установке, но не может обеспечить столь надежного фиксированного соединения, как коннектор FDDI.

Требования к ВОЛС. Проектирование систем волоконно-оптической связи следует начинать с определения предъявляемых к системе требоваий, что определит в дальнейшем сам процесс проектирования, техническую эффективность и экономическую целесообразность принятых решений.

К общим требованиям к системам относятся:

- заданный объем передаваемой информации. Это требование характеризуется необходимой полосой пропускания системы, скоростью передачи информации, числом эквивалентных стандартных каналов тональной частоты;

- тип передаваемой информации: цифровой или аналоговый;

- помехозащищенность системы. Это требование задается отношением сигнал-шум на входе оптического премника либо вероятноятью ошибки при передаче цифровой информации;

- расстояние между оконечными устройствами или терминалами, количество и характеристики терминалов;

- условия прокладки (строительства) и эксплуатации системы;

- требования к массо-габаритным и стомостным характеристикам, надежности системы.

Кроме этих основных требований при проектировании необходимо учитывать воздействие на системы таких внешних факторов, как физический и химический состав окружающей среды, наличие электромагнитных и радиационных воздействий и т.д. Учет совокупности всех перечисленных факторов делает процесс проектирования ВОЛС довольно сложным, допускающим получение неоднозначного решения, когда выбор окончательного варианта определится конкретными условиями применения.

^ Последовательность проектирования. Разработке проекта строительства ВОЛС должны предшествовать изыскательские работы с выездом на место строительства зданий, НРП и трассу прокладки кабеля. Цель изыскательских работ - подробное изучение условий, в которых будет осуществляться строительство и эксплуатация сооружений.

Изыскательские работы подразделяются на два вида - экономические и технические.

Экономические изыскания проводятся с целью изучения экономики района строительства, выявления состояния и перспективных потребностей в развитии средств связи. Технические инженерные изыскания проводятся для изучения природных условий будущего строительства и ознакомления с трассой прокладки кабеля и местами строительства зданий и регенерационных пунктов. Для этого в проектных институтах создаются специальные структурные подразделения - изыскательные партии и отряды специалистов.

Проектирование начинают с изучения поставленных требований к ВОЛС и анализа имеющейся в распоряжении разработчика элементной базы. Затем выбирают топологию построения ВОЛС, которая определяется ее назначением, числом терминалов, перспективами дальнейшего развития и модификации.

Важнейшим этапом проектирования является выбор волоконно-оптической системы передачи и типа оптического кабеля, а также системы электропитания ВОЛС.

Следующий этап заключается в обоснованном выборе элементной базы ВОЛС. Здесь определяют, может ли ширина полосы пропускания выбранного ОК в совокупности с источником излучения обеспечить требуемую широкополосность (скорость передачи информации) при данном расстоянии между оконечными устройствами, известной чувствительности оптического приемника и заданной вероятности ошибки. Рассчитывают длину усилительного участка, число ретрансляторов в системе. Выбирают пространственное (по различным световодам), временное или спектральное уплотнение сигналов, вид модуляции.

При выборе элементной базы ВОЛС следует проводить экономические оценки системы, связанные с определением удельной стоимости каждого типа элементов в общей сумме затрат на систему. Это позволит определить, что обуславливает основные затраты в системе: кабель, оконечные устройства, ретрансляторы и т.д. Например, в большинстве ВОЛС расход на приобретение и прокладку оптического кабеля является основной частью стоимости всей системы. В этом случае целесообразно проложить кабель с возможно низким затуханием и широкой полосой частот в расчете на возможность его использования при развитии системы, когда с ростом объема передаваемой информации достаточно будет только наращивать оконечное оборудование без замены ОК.

Желательно рассмотреть несколько вариантов построения ВОЛС, отличающихся элементной базой, используемым оптическим диапазоном, типом модуляции сигналов, принципами организации связи.

После выполнения приближенного инженерного расчета различных вариантов системы связи, следующий этап заключается в определении реакции системы на некоторое отклонение параметров ее структурных элементов. В результате находят пределы допусков на технические характеристики элементов ВОЛС.

Затем рассматривают ряд системных требований, связанных с условиями прокладки, монтажа и эксплуатации ВОЛС, которые определяют возможные варианты конструктивного оформления ОК, приемных и передающих модулей, а также других структурных элементов, способы электропитания системы.

Выбор элементной базы и топологии ВОЛС может определиться и требованиями к надежности систем, поэтому при проектировании целесообразно установить наиболее уязвимые, с точки зрения надежности, звенья оптических и электрических частей систем и проработать вопросы их резервирования, облегчения условий эксплуатации и т.д.

На следующем этапе выполняют технико-экономический расчет рассмотренных вариантов ВОЛС для их сравнения и выбора наиболее эффективного. В действительности достичь оптиманого варианта ВОЛС очнь трудно из-за ограниченности в настоящее время элементной базы систем, постоянного существенного прогресса в создании новых элементов оптических систем, их быстрого морального старения, а также трудностей полного удовлетворения всему многообразию требований, предъявляемых к системе связи. Поэтому лучшим вариантом будет тот, который более гибкий и приспособлен к изменению элементной базы на период времени эксплуатации системы.

^ Стадии проектирования. Процесс проектирования, как правило, состоит из задания на проектирование и собственно проекта. Проект может разрабатываться в две или одну стадии. При двухстадийном проектировании вначале разрабатывается технический проект (техпроект), в котором излагаются все основные технические решения и определяется стоимость строительства сооружения, а после его утверждения разрабатываются рабочие чертежи. Такие проекты создаются для технически сложных и крупных объектов с применением новой неоснованной техники. В случае одностадийного проектирования сразу разрабатывается технорабочий проект, включающий все основные решения технического проекта и рабочие чертежи.

^ Эксплуатационно-техническое обслуживание ВОЛС.

К эксплуатационно-техническому обслуживанию ВОЛС относятся:

- охрана;

- техническое обслуживание и профилактика;

- контроль за техническим состоянием;

- ремонт;

- аварийно-восстановительные работы;

- реконструкция;

- измерение параметров;

- защита от внешних влияний и коррозии;

- содеожание под избыточным газовым давлением.

Охрана ВОЛС осуществляется с целью предупреждения механических повреждений ОК при проведении строительных и змляных работ в пределах трассы линии связи. Наибольший эффект в этой работе дают профилактические мероприятия, включающие следующие виды работ: систематический контроль за состоянием ВОЛС, разъяснительная работа на предприятиях, строительных организациях и среди населения о важности выполнения правил по защите линии связи от повреждений, согласование на работы в охранных зонах ВОЛС, инспектирование и надзор за работами, проводимыми в этих зонах.

Техническое обслуживание и профилактика ВОЛС подразделяются на текущее и плановое. Основной задачей этих видов обслуживания является своевременное выявление и устранение неисправностей и повреждений на линии связи, позволяющие не допустить нарушения действия или ухудшения качества связи. Под повреждением ВОЛС понимают такое ее состяние, при котором часть параметров линии связи и трактов не удовлетворяет требованиям норм, однако действие связи не прекращается. Выявление повреждений производится в процессе проведения периодических электрических измерений параметров ВОЛС и ОК или в результате показаний автоматизированных систем телеконтроля и управления за состоянием ОК.

Контроль за техническим состоянием междугородных ВОЛС осуществляется автоматически путем непрерывного контроля параметров передачи ОК, что позволяет практически немедленно получить сигналы извещения о нарушениях режима работы и авариях на ВОЛС и ОК. Непрерывный контроль дает возможность в ряде случаев прогнозировать и предотвращать аварийные ситуации, сокращать объем профилактических работ с закрытием связей, а в ряде случаев полностью отказаться от закрятия связи.

На междугородных ВОЛС широко применяется автоматизация и телеконтроль, позволяющие принять необходимые меры к предотвращению аварии и тем самым избежать прекращения действия связи. С этой целью ВОЛС оборудуют:

- устройствами содержания под избыточным газовым давлением, позволяющим передавать на оконечный или ближайший обслуживаемый пункт сигналы о понижении давления, а также автоматически запускать компрессорные установки для периодической подкачки воздуха;

- устройствами автоматической сигнализации и телемеханики для контроля за техническим состянием в них регенераторов с элементами управления, переключением регенераторов и других устройств, а также состоянием помещения необслуживаемых регенерационных пунктов;

- устройствами для подачи и приема в НРП дистанционного или местного электропитания;

- контрольно-измерительными пунктами для измерения потенциалов на металлических оболочках ОК.

Обеспечение контроля за работой НРП и нормального режима в НРП в системах телемеханики осуществляется путем передачи с контролируемых НРП сигналов об открытии двери НРП, неисправности регенераторов, нарушений температурного режима, превышении влажности, понижения давления в ОК, нарушении работы блоков электропитания.

Для переключения основных регенераторов на резервные предусматривается установка дистанционно управляемых или автоматических устройств с посылкой на оконечный пункт или обслуживаемый пункт ответных сигналов исполнения или сигналов извещения о срабатывании автоматических переключающих устройств. Аналогично этому обеспечивается посылка сигналов управления, необходимых для сохранности связи при повреждении станционной аппаратуры и линейных сооружений (автоматическое переключение питания НРП от резервных аккумуляторов, автоматический пуск компрессорных установок для подкачки воздуха и др.).

На ОК применяется несколько систем телеуправления и контроля (ТУ и К). Первая группа систем ТУ и К овнована на создании для них специальных трактов. Подобным системам присущи следующие недостатки: высокая стоимость из-за организации специального оптического тракта; телеконтроль происходит по системе “опрос-ответ”, что увеличивает время обнаружения неисправного НРП; система не реагирует на ряд повреждений основных трактов.

Вторая группа ТУ и К работает на принципе разделения информационных трактов и трактов ТУ и К по оптическим несущим. Подобные системы также неэкономичны, так как кроме выделения специальных трактов для ТУ и К необходимо сокращать длину регенерационного участка из-за потерь в оптических фильтрах.

Третья группа систем ТУ и К работает по информационному тракту при аварии, когда происходит прерывание информационных сигналов. Недостаток этих систем состоит в невозможности их использования для прогнозирования отказов в ВОЛС, а также значительное время для определения характера и места повреждения ОК и ВОЛС.

Наиболее совершенные системы ТУ и К обеспечивают постоянный контроль за состоянием оптических кабелей и трактов. Подобные системы позволяют максимально сократить время обнаружения аварии или неисправности, а также прогнозировать отказы и повреждения оптических трактов ВОЛС. Решение последних задач требует анализа, обработки т запоминания поступающих сигналов, что осуществляется с помошью ЭВМ. В память ЭВМ вводится информация о состоянии ВОЛС и ОК, данные о характере различных повреждений и аварийных ситуаций и описание этих ситуаций сигналами телеконтроля. В результате создается автоматизированная система упарвления технологическими процессами в ВОЛС. Подобные системы позволяют резко повысить эффективность и надежность работы ВОЛС, снизить эксплуатационные расходы и увеличить производительность труда.

На ВОЛС проводятся текущий ремонт - силами кабельного участка и капитальный - ремонтно - восстановительной бригадой.

При текущем ремонте кабельных сооружений выполняются следующие работы:

- углубление и выноска строительных длин кабеля;

- устранение негерметичности кабелей;

- ремонт контрольно-испытательных пунктов (КИП), люков, крышек, кронштейнов в колодцах;

- покраска ящиков, шкафов арматуры;

- установка новых замерных столбиков;

- ремонт устройств защиты от коррозии и ударов молнии и др.

При капитальом ремонте основными работами являются:

- выноска или углубление кабельной линии;

- переустройство кабельных колодцев;

- устройство речных переходов;

- установка кабеля под давление;

- выполнение работ по защите от коррозии и ударов молнии;

- приведение оптических характеристик кабелей к нормам;

- замена кабелей и оборудования на лучшие;

- ремонт НРП и др.

В процессе технической эксплуатации ВОЛС осуществляется комплекс измерений с целью определения электрического состояния линейных сооружений, предупреждения повреждений и их устранения. В комплекс входят следующие измерения: профилактические, аварийные и контрольные.

Профилактические измерения проводятся с целью выявления и устранения возникших в процессе эксплуатации отклонений оптических параметров линейных сооружений от норм. Эти измерения выполняются в плановом порядке периодически в определенные промежутки времени.

Аварийные измерения производятся с целью определения характера и места повреждения или аварии кабелей. Порядок измерений следующий: вначале измеряются оптические параметры с целью определения характера и района повреждения кабеля, затем выполняются измерения для уточнения места повреждения на трассе. В случае необходимости поврежденное место кабеля вырезается и делается временная, а в последующем и постоянная кабельные вставки.

Контрольные измерения проводятся после окончания ремонтных и восстановительных работ с целью определения качества ремонтно-восстановительных работ.

Определение места и характера повреждения оптического кабеля.

Характерные повреждения ОК - нарушение целостности волокна и защитной оболочки. Методы определения места и характера повреждения оболочки аналогичны методам, широко применяемым в электрических кабелях с медными проводниками.

Повреждением оптического волокна считается любая неоднородность, приводящая к ухудшению передаточных ствойств кабеля. Один из наиболее характерных видов повреждения - обрыв волокна.

Существуют в основном два метода определения места обрыва оптического волокна:

- измерение интенсивности обратного рассеяния с помощью рефлектометра;

- импульсный локационный метод определения места обрыва.

Сравнивая эффективность этих методов, следует отметить, что недостатком первого метода является низкий уровень потока обратного рассеяния, что не позволяет использовать его для определения места обрыва кабельных линий большой протяженности.

^ Импульсный метод. Этот мтеод обладает высокой разрешающей способностью и позволяет определить как места неоднородностей, так и полного обрыва оптических волокон в кабеле.

Принцип работы прибора состоит в том, что в кабель посылается серия зондирующих импульсов и по времени возвращения отраженных отраженных от места обрыва или повреждения волокна импульсов определяется это место (рис. 1).

1 4 5 6 8 11

2 3 6 10

7 9

х₁

х₂

Рис. 1. Схема оборудования импульсных измерений

1- лазер; 2- генератор импульсов; 3 - видеоусилитель; 4 - элемент Поккельса; 5 - разветвляющая пластина; 6 - фокусирующая линза;

7 - фотодиод; 8 - оптичкий кабель; 9 - усилитель; 10 - осциллограф;

11 - зеркало.
Данный метод позволяет определить место повреждения кабеля с точностью до нескольких сот метров. В качестве источника излучения используется гелий-неоновый лазер. Внешний модулятор на элементе Поккельса управляется импульсами длительностью 1 мс и частотой следования 100 кГц, которые генерируются импульсным генератором и усиливаются видеоусилителем. Световые импульсы вводятся в кабель с помощью линзы. На дальнем конце кабеля расположено зеркало, между модулятором и фокусирующей линзой - полупрозрачное зеркало, которое отводит часть отраженного светового потока от места повреждения на фотодиод. Сигнал с фотодиода усиливается широкополосным усилителем и подается на клемму х₁ осциллографа. На клемму х₂ осциллографа подается импульс от генератора. По разнице времени прихода обоих импульсов определяется расстояния до места повреждения:

,

где t- разность во времени прихода обоих импульсов;

- уширение второго импульса из-за дисперсии.

Следует отметить, что эффективность импульсного метода контроля состояния оптического кабеля зависит от угла скола волокна. При воздействии на волокно только растягивающей силы возникает плоская поверхность излома, если же волокно разрушается от удара, то поверхность не является плоской. Поскольку значение эхо-импульсаможет зависеть от характера излома волокна, в ряде случаев импульсный метод может оказаться недостаточно точным для обнаружения места повреждения оптического кабеля.

Этим же локационным методом можно также определить параметр затухания оптического кабеля. Действительно, первый импульс I₀, поданный на клемму х₁, соответствует отраженному от переднего торца волокна к поверхности фокусирующей линзы, а второй импульс - отраженному от зеркала в конце кабеля. Пользуясь полученными значениями амплитуд этих импульсов, затухание оптического кабеля рассчитывается по формуле

.

^ Метод обратного рассеяния с применением рефлектометров. Последнее время широкое распрлстранение получили оптические рефлектометры, базирующиеся на методе обратного рассеяния. Рефлектометр позволяет определить степень регулярности ВОЛС, выяснить места неоднородностей и повреждений кабеля, наличия микроьтрещин и изгибов, потерь в местах соединений и затухания, как строительной длины кабеля, так и всего тракта передачи. Погрешность измерения рефлектометром составляет: затухания 0,1... 1,0 дБ, а расстояний до места повреждения до места повреждения 3...10 м.

Структурная схема рефлектометра приведена на рис. 2.

Оптический сигнал от лазера 2 через направленный ответвитель 3 и разъем 4 вводится в волокно. Сигнал обратно рассеянного излучения отводится на фотоприемник 6 и поступает в осциллограф и систему регистрации: преобразователь 7 и самописец 8. Задающий генератор 1 служит для синхронизации работы излучателя, фотоприемника и системы регистрации. Контрольный фотоприемник 5 предназначен для контроля стабильности мощности и формы импульсов.

Пассивные компоненты ВОЛС

 

К пассивным компонентам ВОЛС относятся оптические соединители и разветвители, которые служат для объединения или разъединения оптических сигналов.

Различают чувствительные (селективные) и нечувствительные (неселективные) пассивные компоненты. Первые применяются для объединения (или разъединения) сигналов с различными оптическими несущими и называются соответственно мультиплексорами и демультиплексорами. Вторые используются для разветвления оптической мощности при наличии большого числа оконечных устройств в линии связи.

Мультиплексоры и демультиплексоры. Мультиплексирование позволяет увеличить информационную емкость ВОЛС. Применяемые в линиях устройства для объединения сигналов с различными несущими длинами волн (мультиплексоры) и разъединения (демультиплексоры) должны иметь малые вносимые потери. Кроме того, они должны обеспечивать высокую степень изоляции между каналами. В зависимости от длины волны используют четыре основных способа формирования данных устройств.

В основу работы устройств положены три чувствительных к длине волны эффекта: угловая дисперсия, интерференция и поглощение. Демультиплексоры, показанные на рис. 1.а, б, используют угловую дисперсию решетки или призмы.

На рис. 1.в изображена конструкция для разделения каналов с помощью интерференционного фильтра, а на рис. 1.г – структура поглощающего типа. При этом каждый поглотитель состоит из чувствительного к длине волны фотодиода.

Устройства с решеткой и призмой являются делителями с параллельным разделением каналов, а использующие фильтры и селективные фотодетекторы – с последовательным.

Последовательное разделение применяется при небольшом числе каналов, так как с ростом числа каналов пропорционально увеличивается число элементов схемы (сфетофильтров, делительных пластин, зеркал, фокусирующих элементов) и соответственно растут потери на излучение. Наиболее широко используются устройства с интерференционным фильтром.

Интерференционные фильтры пропускают узкую область спектра, а остальное излучение эффективно отражают.

В приведенной схеме шесть фокусирующих элементов состыкованы торцами, между которыми размещены интерференционные фильтры, причем каждый из них пропускает лишь одну оптическую несущую. Потери при выделении одной несущей от лазерного источника излучения составляют ~2,5 дБ, интервал между несущими 30 нм.

Демодуляторы такого типа выполнимы и в полностью волоконном исполнении без использования цилиндрических линз. Их устройство подобно устройству торцевых делителей мощности, в разрезе передающего волоконного световода которых вместо полупрозрачной пластины расположен фильтр, чувствительный к длине волны.

Параллельное разделение возможно осуществить как для малого, так и для большого (несколько десятков) числа спектрально уплотненных несущих в одном волоконном световоде.

Параллельные детали представляют собой миниспектрометры. Как и спектрометр, делитель имеет диспергирующий элемент (решетку или призму), коллимирующий элемент (объектив или вогнутое зеркало), а также входную и выходную щели (роль которых выполняют сердечники излучающего и приемных волоконных световодов).

Схема с призмой не получила широкого распространения, так как призма ограничивает возможность иниатюризации устройства и характеризуется низкой дисперсией в диапазоне длин волн 1,1 – 1,6 мкм. Материалы для изготовления призм со значительной угловой дисперсией имеют большие потери. Кроме того, дисперсия призм не постоянна по спектру. Наибольшее распространение получили устройства с дифракционной решеткой.

Угловая дисперсия первого порядка для решетки определяется ее пространственным периодом – постоянной решетки А и описывается выражением

 

.

 

Если оптическая мощность в каждом канале практически монохроматична, разделение каналов определяется определяется соотношением

 

,

 

где f – фокусная длина линзы;

D – прстранственное разделение выходов

волоконного световода.

Конечная ширина спектральной линии таких источников излучения, как светодиоды, приводит к перекрытию соседних каналов, поэтому мультиплексоры и демультиплексоры с решетками пригодны в ВОЛС, в которых источниками излучения являются только полупроводниковые лазеры с шириной спектральной линии ~ 2 нм.

Излучающий и пять приемных ВС объединены в линейку, расположенной в фокальной плоскости объектива (фокусное расстояние 23,8 мм, диаметр 14 мм).

Излучение из передающего ВС коллимируется объективом, дифрагирует на решетке и снова попадает в объектив, который в зависимости от длины волны фокусирует излучение на тот или другой приемный ВС. Вместо объектива может использоваться фокусирующий (градиентный).

Дифракционную решетку изготавливают анизотропным травлением кристаллической подложки по кристаллическим осям сквозь предварительно нанесенную маску.

Решетка имеет несимметричные канавки. Параметры решетки (постоянная решетки А=4 мкм, угол =6,2⁰) выбраны так, чтобы ее максимальная дифракционная эффективность достигалась на центральной длине волны =0,86 мкм рабочего диапазона 0,82 – 0,88 мкм. Спектральный интервал между каналами равен 25 нм. Вносимые потери в каналах не превышают 1,4 дБ, переходное затухание не менее 30 дБ.

Делители оптической мощности. Неселективные разветвители подразделяют на два основных типа: Т-образные, построенные по принципу ответвления оконечных устройств от главного ствола линии и звездообразные.

Потери при распределении мощности излучения в системе с Т – образными соединителями возрастают пропорционально числу абонентов, а в системе со звездообразными ответвителями – пропорционально логарифму числа оконечных устройств N. Так в системе с 20 оконечными устройствами общие потери составляют в первом случае 130 дБ, а во втором – 28 дБ. Поэтому в системах с большим количеством абонентов целесообразно применение звездообразных соединительных устройств.

Деление мощности с помощью Т-образного разветвителя характеризуют следующими величинами затухания:

 

в прямом направлении

вносимым

при ответвлении

связи

в обратном направлении

 

В звездообразном ответвителе к каждому из входных ВС подведена мощность Р_Еi (i=1, 2,…, n), которая передается выходным ВС. Пусть Р_Аj (j=1, 2,…, m) – мощность, поступающая в j-й выходной ВС. При равномерном распределении входной мощности между выходными ВС ответвитель характеризуют следующие величины:

 

потери на расщепление

вносимые потери

 

ослабление в обратном направлении

 

, где =1, 2,…, n.

 

По своей конструкции разветвители разделяют на две основные группы:

– биконические, в которых излучение передается через боковую поверхность;

– торцевые, в которых излучение передается через торец.

В обеих группах передача излучения может осуществляться либо при непосредственном контакте ВС, либо через вспомогательные элементы – зеркала, линзы, смесители.

В биконических разветвителях свет может быть извлечен через боковую поверхность при преобразовании направляемой моды в моду излучения или при связи со вторым ВС через исчезающее поле.

 

 

 

Преобразование распространяющейся волны в моды излучения получают при изгибе ВС, при снятии оболочки или коническом сужении сердцевины. Вносимые потери составляют 0,2 – 1,0 дБ.

Из разветвителей торцевого типа наиболее распространены такие, в которых торцы выходных ВС непосредственно состыкованы с торцом входного ВС и закрепляются каким-либо механическим способом.

 

Изменяя взаимное расположение торцов ВС и подбирая их поперечное сечение, можно варьировать в широких пределах отношение мощностей в разных выходных каналах. Вносимые потери составляют 0,3 – 1,2 дБ.

 

Изображен разветвитель с ветвящейся структурой, сформированный путем склеивания или сплавления выходных ВС вдоль сошлифованных под малым углом сердечника и соединения с торцом входного ВС.

Хотя принцип разветвителя простой, изготовление затруднительно, вносимые потери составляют 0,5 – 1,2 дБ. Эта конструкция подходит как для градиентных, так и для ступенчатых световодов. Разделение мод и потери растут с ростом угла , под которым соединены ВС.

 

Световод разрезан под углом 45⁰ к оси, торцы его отполированы и покрыты частично отражающими и диэлектрическими зеркалами. Величина потерь составляет 0,5 дБ.

В разветвителях со вспомогательными элементами широко используют диэлектрические цилиндрические линзы, представляющие собой отрезок градиентного волоконного световода с параболическим профилем показателя преломления.

Он состоит из цилиндрического корпуса со стеклянным смесительным стержнем. Один из концов смесительного стержня представляет собой сферическое зеркало, на другой конец нанесено просветляющее покрытие.

Излучение, выходящее из какого-либо световода, отражается от зеркала и равномерно распределяется всем ВС. Это дает возможность каждому терминалу в системе передавать и принимать данные от любого другого терминала.

1. ПРЕИМУЩЕСТВА ВОЛС ПЕРЕД ДРУГИМИ НАПРАВЛЯЮЩИМИ СИСТЕМАМИ ПЕРЕДАЧИ

 

Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основанием для такого заключения является ряд особенностей, присущих оптическим волокнам.

Физические особенности:

1. Стекловолокно обладает значительной широкополосностью, которая обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 10¹⁴ Гц. Это означает, что по оптическим линиям связи можно передавать информацию со скоростью порядка 10¹² бит/с. Другими словами по одному стекловолокну можно передать одновременно 10 милиионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. В оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных ортогональных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут.

2. Стекловолокно обладает очень малым затуханием (по сравнению с другими средами). Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0,22 дБ/км на длине волны 1,55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1,55 мкм имеет затухание 0,154 дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более "прозрачные", так называемые фторцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2,5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регерационными участками через 4600 км при скорости передачи 1 Гбит/с.

Технические особенности:

1. Волокно изготавливается из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а поэтому недорого материала, в отличие от меди.

2. Оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм, т.е. очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в кабельной технике.

3. Секловолокна не являются металлом, поэтому при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов. Применяя особо прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать, например, на опорах контактной сети, экономя значительные средства на прокладку кабеля и организацию переходов через реки и другие преграды.

4. Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным полям, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа.

5. Важным свойством оптического волокна является долговечность. Время жизни волокна превышает 25 лет, что позволяет проложить оптико-волоконный кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены передатчиков и приемников на более быстродействующие.

Эффективность применения тех или иных линий связи во многом зависит от потребного количества каналов. Известно, что с увеличением числа каналов стоимость 1 кан.-км линии связи снижается. Целесообразность применения различных направляющих систем передачи в зависимости от потребного числа каналов приведена на рис. 1.

Как видно из рисунка, самой дешевой является связь по световоду и волноводу, затем идет коаксиальный кабель, и наконец, самой дорогой является связь по воздушным линиям. Оптические кабели целесообразно применять при потребности в 1000 и более каналов. Рассмотрим сравнительную стоимость 1 кан.-км для цифровых систем передачи

 

 

 

Из рисунка видно, что по сравнению с электрическим кабелем стоимость связи по оптическим кабелям падает с ростом числа каналов в более резкой зависимости. Оптические системы по сравнению с электрическими дороже при небольшом числе каналов и дешевле при большом числе каналов. В настоящее время экономически целесообразными являются ВОЛС со скоростью 34 Мбит/с и выше.

Однако, в волоконной технологии есть и свои недостатки:

1. При создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрические сигналы в оптические и наоборот, производство которых стоит очень дорого.

2. Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, о потому дорогое технологическое оборудование.

3. Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с традиционными кабелями с медными жилами.

Тем не менее преимущества от применения волоконно-оптических линий связи настолько значительны, что несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, данные линии связи все шире используются для передачи информации.

 

2. СТРУКТУРНЯ СХЕМА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

 

Структурная схема передачи информации по оптическим кабелям приведена на рис. 3.

 

 

Информация, передаваемая абонентами через передатчик, поступает на электрооптический преобразователь (ЭОП), роль которого выполняет лазер (Л) или светодиод (СД). Здесь электрический сигнал преобразуется в оптический и направляется в ОК. На приеме оптический сигнал поступает в оптико-электрический преобразователь (ОЭП), в качестве которого используется фотодиод (ФД), преобразующий оптический сигнал в электрический. Таким образом, на передающей стороне от передатчика до ЭОП, а также на приемной стороне от ЭОП до приемника действует электрический сигнал, а от ЭОП до ОЭП по оптическому кабелю проходит оптический сигнал.

Электрический сигнал, создаваемый частотным или временным методом, модулирует оптическую несущую, и в модулируемом виде световой сигнал передается по оптическому кабелю. В основном используется способ модуляции интенсивности оптической несущей, при котором от апмлитуды электрического сигнала зависит мощность излучения, передаваемая в ОК.

Оптические системы передачи, как правило являются цифровыми (импульсными). Это объясняется тем, что передача аналоговых сигналов требует высокой степени линейности промежуточных усилителей, которую трудно обеспечить в оптических системах.

Через определенные расстояния (5,...., 100 км), обусловленные энергетическим потенциалом аппаратуры и величиной потерь в ОК, вдоль оптической линии располагаются линейные регенераторы (ЛР), в которых сигнал восстанавливается и усиливается до требуемого значения. Кроме того, для преобразования кода и согласования элементов схемы имеются кодирующие устройства - преобразователи кода (ПК) и согласующие устройства (СУ). Преобразователь кода формирует трубуемую последовательность импульсов и осуществляет согласование уровней по мощности между электрическими и оптическими элементами схемы (от аппаратуры ИКМ поступает высокий уровень, а для электропреобразователей необходим весьма малый уровень). Передающие и приемные согласующие устройства формируют и согласовывают диаграммы направленности (диаграмма направленности - это телесный угол, в котором действует максимальная интенсивность излучения) и апертурный угол между приемопередающими устройствами и кабелем. Применяются также устройства ввода и вывода излучения, сростки, для сращивания оптических волокон и кабелей, направленные ответвители, фильтры и другие элементы оптического тракта.

 

3. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СВЕТОВОДОВ. ТИПЫ СВЕТОВОДОВ

 

Волоконный световод представляет собой тонкую двухслойную стеклянную нить (сердечника и оболочки), каждый элемент которой обладает различным показателем преломления. Показатель преломления (n) прозрачного вещества представляет собой отношение скорости света в вакууме (с) к скорости света в данном веществе (v), то есть n=c/v. Кроме того, показатель преломления зависит от параметров среды и рассчитывается по формуле:

 

,

 

где и - относительные соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости.

Учитывая, что относительная магнитная проницаемость прозрачного вещества обычна постоянна и равна единице, показатель преломления определится: для сердечника , для оболочки . Показатель преломления оболочки постоянен, а сердечника в общем случае является функцией поперечной координаты. Эту функцию называют профилем показателя преломления.

Для передачи электромагнитной энергии по световоду используется известное явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред, поэтому необходимо, чтобы n₁>n₂.

 

Рассмотрим случай, когда луч света, распространяющийся в среде с показателем преломления n₁, встречает границу раздела со средой, имеющей меньший показатель преломления n₂ (рис. 4).

В соответствии с законом Снеллиуса , угол в среде с меньшим показателем преломления больше, чем угол падения . При возрастании возрастает и , и поскольку больше , станет равным 90⁰ раньше, чем . Угол падения, для которого преломленный луч скользит по поверхности раздела (то есть, для которого =90⁰), называется углом полного внутреннего отражения. Угол полного внутреннего отражения рассчитывается по формуле (см. закон Снеллиуса, полагая, что =90⁰):

 

.

 

Если угол падения больше (луч 3), то луч не заходит во вторую среду, а полностью отражается вовнутрь первой среды. Именно этот принцип полного внутреннего отражения позволяет оптическим волокнам проводить свет.

 

В зависимости от величины угла , который образует с осью лучи, выходящие из точечного источника в центре торца световода (рис. 3), возникают волны излучения 1, волны оболочки 2 и сердечника 3. В сердечнике и оболочке существует два типа лучей: меридиональные, которые пересекаются в некоторой точке с осью световода, и косые, которые с осью световода не пересекаются. Здесь показаны только мердиональные лучи. Если угол падения электромагнитной волны на границу сердечник-оболочка боль