1. Введение
История развития средств передачи информации является неотъемлемой частью истории развития общества, причем потребности в обмене информацией всегда превышали существующие технические возможности их удовлетворения. На протяжении всего предыдущего столетия связисты стремились повысить скорость передачи информации. Потребность в большем количестве передаваемой информации стала причиной перехода от телеграфа вначале к телефону, а затем – к радио. После этого встала задача передачи на более высоких частотах. Амплитудное модулирование позволяло передавать тысячи герц, частотное модулирование – миллионы, с развитием телевидения был освоен диапазон частот в сотни миллионов герц. Наконец в 60 годах началось освоение микроволнового диапазона (диапазона СВЧ), характеризующегося частотой в миллиарды герц. Именно в это время ведущим поставщикам телекоммуникационных услуг стало ясно, что технология высокочастотной радиосвязи, основанная на использовании медных кабелей, устаревает и не может справиться с бурным ростом потока информации. Возникла потребность в новом виде кабеля, способного передавать больше информации при меньшем объеме самого носителя информации. Поэтому сотрудники британской телефонной компании (Standard Telecommunications Laboratories Ltd.) д-р К.Ч.Чао и г-н Дж.А.Хоклхем предложили использовать волноводы из диэлектрического стекла, называемые теперь оптическим волокном, для оптической связи. У световых волн частота в 100 тысяч раз больше, чем у микроволн – впечатляющая разница! Но в то время никто еще не знал, как обуздать свет.
В 1960 году был изобретен лазер – идеальный источник света для оптической связи. Теперь ученым оставалось сделать специальные световоды для передачи оптических сигналов по кабелю. В это время об идее К.Ч.Чао и Дж.А.Хоклхема узнали в компании Corning, и начали активные исследования по созданию оптического волокна с низкими потерями. Успех пришел в 1970-х годах, когда было создано волокно с затуханием в 16 децибел. Именно этот год считается годом начала новой информационной эпохи – эры волоконно-оптической связи.
Развитие волоконно-оптических сетей связи характеризуется очень быстрым увеличением скорости передачи информации. Скорость передачи, достигнутая экспериментально в лабораторных условиях, и скорость передачи высоконадежных коммерческих сетей растут экспоненциально, удваиваются примерно каждые 2 года. Эта тенденция обеспечивается как неуклонным ростом скорости передачи информации по одному каналу, так и ростом числа одновременно передаваемых по одному волокну каналов в системах со спектральным разделением каналов. К середине 1990-х г.г. в нескольких национальных сетях были введены в эксплуатацию системы со скоростью передачи 2.5 Гб/с.
В настоящее время широко используются системы со скоростью передачи 10 Гб/с на один канал, внедряются системы со скоростью 40 Гб/с на один канал, ведутся работы по внедрению коммерческих систем со скоростью 160 Гб/с на один канал. В лабораторных экспериментах достигнуты скорости передачи информации 640 Гб/с и более на один спектральный канал.
Одновременно с увеличением скорости передачи информации неуклонно растет дальность передачи. Революционным событием в увеличении дальности передачи информации по волоконно-оптическим сетям явилось создание усилителей на волокне, легированном эрбием. В последнее время возрос интерес к рамановским (ВКР) усилителям, поскольку уровень шумов в них меньше, чем в эрбиевых усилителях, а полоса усиления определяется свойствами излучения накачки и не имеет физических ограничений. При использовании оптических усилителей длина ретрансляционного участка может быть увеличена до нескольких сотен или даже тысяч километров. Использование оптических усилителей особенно эффективно в системах передачи информации, использующих спектральное разделение каналов (WDM системах), т.к. в одном усилителе усиливаются все информационные каналы одновременно.
Большинство современных ВОЛС работает в третьем окне прозрачности (диапазон длин волн примерно 1530÷1560 нм), совпадающем с полосой усиления эрбиевых усилителей и с минимумом поглощения кварцевого волокна. Значительная часть одномодового волокна, используемого во всем мире, это так называемое обычное или стандартное волокно, длина волны нулевой хроматической дисперсии которого примерно 1300 нм. Такое волокно обладает значительной дисперсией (17 пс/км/нм) в третьем окне прозрачности. Большая величина хроматической дисперсии стандартного волокна вызывает значительные искажения световых сигналов и существенно ограничивает дальность действия систем передачи информации со скоростями более 1 Гбит/с. Так, при использовании узкополосного источника излучения с внешней модуляцией, дисперсионное ограничение дальности при скорости передачи 2,5 Гбит/с примерно равно 1000 км, а при увеличении скорости передачи информации до 10 Гбит/с дальность сокращается до 61 км.
Для ослабления влияния хроматической дисперсии разработаны специальные виды оптического волокна, обладающего малой величиной дисперсии. Некоторое время назад было создано волокно (DSF), обладающее нулевой дисперсией на длине волны в третьем окне прозрачности (~1550 нм). Однако вскоре выяснилось, что это волокно, получившее название волокна со смещенной дисперсией, не пригодно для работы в системах со спектральным разделением каналов из-за их сильного нелинейного взаимодействия, обусловленного эффектом четырехволнового смешения а также эффектами фазовой само- и кросс-модуляции. Поскольку наличия в волокне хроматической дисперсии величиной порядка нескольких пс/нм/км достаточно для эффективного подавления эффектов кроссмодуляции и четырехволнового смешения, позднее было разработано волокно (NZDSF), обладающее малой, но ненулевой хроматической дисперсией в рабочем диапазоне длин волн.
Мир вступил в третье тысячелетие, характеризующееся, с одной стороны, непрерывно растущими потребностями мирового сообщества в обмене информацией, а с другой – технической возможностью практически полностью их удовлетворить. Переход на оптические системы связи позволяет получить выдающиеся результаты в увеличении скорости передачи информации и в настоящее время происходит повсеместно. В наиболее развитых европейских странах (Швеция, Финляндия) реализуется программа «волокно в каждый дом».
Масштабы развития волоконно-оптической связи действительно поразительны. Мировое производство волоконных световодов в настоящее время составляет 60 млн. км/год, то есть каждую минуту в системах связи прокладываются более 100 км волоконных световодов. Все материки связаны между собой подводными волоконно-оптическими кабелями связи, общая длина которых достаточна, чтобы обмотать земной шар шесть раз.
Что касается скорости передачи информации по волоконно-оптическим линям связи, то, по образному определению академика Е.М. Дианова, мир вступил в информационную эпоху или тера-эру. В настоящее время при использовании спектрального уплотнения скорость передачи информации может достигать нескольких Тбит/с, что отмечалось на состоявшейся в Анахейме (США) конференции по волоконно-оптической связи OFC-2002.
В настоящее время экспериментальные системы со спектральным разделением каналов используют спектральную область 1530-1610 нм (ширина около 80 нм). Успехи в технологии производства оптического волокна позволили практически полностью убрать полосу поглощения, связанную с гидроксильными группами в стекле, и расширить область с оптическими потерями менее 0,3 дБ/км до примерно 500 нм (1200-1700 нм). Воспользовавшись достигнутыми на сегодняшний день значениями плотности расположения каналов 0.2 нм на канал и скоростью передачи информации по одному каналу 160 Гбит/с получаем общее число спектрально разделенных каналов 2500 и суммарную скорость передачи информации 400 Тбит/с.
Таким образом, волоконно-оптическая технология имеет гигантский потенциал развития, что позволяет производителям волоконно-оптических систем связи уверенно смотреть в будущее, полное света.
Конструкция волоконно-оптического кабеля должна предусматривать защиту волокна от различных повреждений. Это значит, что при проектировании кабеля волоконный световод должен размещаться так, чтобы на него, насколько это возможно, не оказывали воздействия вышеперечисленные факторы. При этом такая конструкция должна быть пригодна для практического использования. Проведенные многочисленные исследования привели к разработке специализированных конструкций кабелей, которые используются в зависимости от различных видов применения. Ниже перечисляются стандартные виды оптических кабелей связи, отличающиеся друг от друга областью применения и способом прокладки.
Таблица 1.
1. Кабель внутриобъектовой прокладки; |
2. Кабель для прокладки в канализации, в т.ч. в пластмассовом трубопроводе; |
3. Кабель для воздушной подвески, в т.ч. используемый в качестве провода или троса воздушной ЛЭП; |
4. Кабель для прокладки в грунт, как в открытую траншею, так и бестраншейным способом |
5. Подводный кабель, в т.ч. морской глубоководный кабель |
2.1. Про волокно
Как известно, оптическое волокно состоит из сердцевины, оболочки и первичного покрытия. Именно в таком виде, как правило, оно и попадает на кабельное производство. Такое волокно неокрашенное, т.е. имеет светло-серый, натуральный цвет. Волокно после вытяжки и наложения первичного покрытия подвергают тесту на перемотку с натяжением. В процессе перемотки большой длины - несколько сот километров - из-за произвольного распределения трещин по длине волокно обрывается. В результате образуются отрезки волокна различной протяженности.
Рисунок 1. Оптическое волокно
У различных производителей разные стандарты на безобрывные длины, поставляемые на катушке. Так, фирма Corning поставляет волокно длиной 25.2 км. Разумеется, существуют и другие длины к поставке, отличающиеся как в большую, так и в меньшую сторону.
Рисунок 2. Катушка с оптическим волокном
Различные виды волокон имеют разные геометрические параметры. На сегодняшний день существуют различные международные рекомендации и стандарты, по которым изготавливается большинство часть волокон в мире. Часть этих стандартов действует и в России.
Наибольшее распространение получили документы двух организаций: ITU (МСЭ) и IEC (МЭК). Были выпущены следующие рекомендации ITU и стандарт IEC:
Таблица 2.
ITU Rec. G.650 | Определения и понятия, касающиеся одномодового волокна. Способы его тестирования |
ITU Rec. G.651 | Многомодовое градиентное волокно 50/125 мкм |
ITU Rec. G.652 | Одномодовое волокно |
ITU Rec. G.653 | Одномодовое волокно со смещенной дисперсией |
ITU Rec. G.654 | NZDSF |
IEC 793-2 | Технические условия на изделия, использующие оптические волокна |
Почти все эти рекомендации переведены на русский язык, а IEC 793 был принят в качестве стандарта ГОСТ Р МЭК 793-1-93. Если вы хотите ознакомиться с текстом рекомендаций обращайтесь в компанию Оптиктелеком.
Почти все стандартные волокна относятся к одному из следующих видов:
Одномодовое ступенчатое волокно 8-10/125 мкм
Многомодовое градиентное волокно 50/125 мкм
Многомодовое градиентное волокно 62.5/125 мкм
В последнее время используются также волокна со сложным профилем показателя преломления, т.н. волокна со смещенной дисперсией. Различают волокна с положительной ненулевой смещенной дисперсией (например волокна Corning Leaf), с положительной нулевой смещенной дисперсией (практически не используется), с отрицательной смещенной дисперсией, для компенсации дисперсии. У всех перечисленных стандартных волокон один и тот же диаметр оболочки, равный 125 мкм.
Покрытие волокна
Для практического использования оптическое волокно должно иметь защитное покрытие. Например, таким покрытием могут быть один или несколько слоев полимерных материалов. Защитный слой наносится на волокно в процессе его изготовления – вытягивания – в вытяжной башне, находящейся на несколько метров ниже печи. Защитное покрытие наносится в жидком виде с помощью специального устройства – аппликатора – или нескольких таких устройств. Волокно проходит через эти устройства со скоростью 3 , 10 м/с.
Обычно для защиты на волокно наносятся два слоя акрилата – внутренний слой из мягкого акрилата, для предотвращения микро-изгибов, и твердый наружный слой, для защиты от механических воздействий. После нанесения обоих слоев диаметр волокна становится равным 245±10 мкм. Нанесенный акрилат отверждается под воздействием интенсивного УФ-излучения. При этом очень важно, чтобы акрилат был отвержден полностью, иначе смесь отвержденного
Рисунок 3. Установка для перемотки волокна с натяжением
Раньше для первичного покрытия использовался силикон (в основном японскими производителями), но за последние годы практика его применения стала сходить на нет. Причина заключается в трудностях, связанных с удалением первичного покрытия волокна, например, при подготовке ОВ к стыковке или оконцовке. В отличие от силикона, отвержденный акрилат счищать с волокна очень легко.
Первичное покрытие повышает механическую прочность волокна. Для гарантированной долговечности необходимо, чтобы волокно с первичным покрытием выдерживало растягивающее напряжение порядка 10 Н в течение одной секунды. Предел прочности при растяжении составляет около 50 Н. Первичное покрытие заполняет неровности на поверхности оболочки и защищает волокно от пыли, влаги и химикатов.
Таблица 3.
Наиболее типичные допуски для многомодового волокна 50/125 мкм
Название параметра | ITU Rec. G651 | IEC 793-2 |
Допуск на диаметр сердцевины | ±6% | ±3 мкм |
Допуск на овальность сердцевины | <6% | <6% |
Допуск на диаметр оболочки (125 мкм) | ±2.4% | ±3% |
Допуск на овальность оболочки | <2% | <2% |
Допуск на неконцентричность сердцевина - оболочка | <6% | <6% |
2.2. Окраска ОВ
Для идентификации отдельных волокон при установке кабеля используют условную расцветку, соответствующую различным национальным и международным стандартам. Для этого производят окрашивание волокон. Волокна могут окрашиваться в ходе отдельного процесса или при наложении дополнительного вторичного защитного покрытия.
Окраска оптических волокон, как правило, это первая операция, которую осуществляет кабельное предприятие, так сказать первое преобразование на пути от ОВ к ОК. Большинство современных производителей волокна (Corning, Furukawa, OSF, Sumitomo и др.) поставляют неокрашенное оптическое волокно с тем, чтобы его окраска осуществлялась на кабельном предприятии. Для последнего это в определенной степени выгодно, поскольку позволяет минимизировать склад ОВ, которое окрашивается в определенные цвета под заказ. Однако ряд производителей, и, прежде всего, Alcatel, придерживаются другой политики. Она заключается в том, что Alcatel, используя свою патентованную технологию Colorlock, производит окраску волокон при нанесении первого слоя покрытия и второй слой покрытия надежно защищает красящий слой от истирания. Такие волокна не теряют своей цветовой кодировки вплоть до жесткого контакта со стриппером. Также Alcatel способен кодировать до 36 оптических волокон с помощью 12 различных цветов и нанесения черных колечек с разным шагом.
При выборе красящего вещества нужно учитывать следующие факторы:
1) Красящее вещество не должно приводить к дополнительным микро-изгибам волокна
2) Красящее вещество должно не разрушаться и не исчезать со временем
3) Красящее вещество должно быть совместимо со всеми материалами, используемыми в кабеле, например, не должно растворяться в гидрофобе (водоотталкивающем компаунде).
В связи с жесткими требованиями российских стандартов к рабочему диапазону температур предъявляются повышенные требования к красящему слою: он должен быть очень тонким, чтобы не вызывать дополнительных микро-изгибов волокна в процессе эксплуатации в необходимом диапазоне температур.
