Волоконно-оптические линии связи и их защита от внешних влияний


С. А. Соколов







                ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ И ИХ ЗАЩИТА ОТ ВНЕШНИХ ВЛИЯНИЙ





Учебное пособие по курсу «ВОЛС и ПК»




















Инфра-Инженерия Москва - Вологда 2019

УДК 621.327.8(075.8)
ББК 886.3я73
   С 59








ФЗ № 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке в соответствии сп.1ч.4ст.11

     Соколов С. А.
С 59 Волоконно-оптические линии связи и их защита от внешних влияний:
     учебное пособие / С. А. Соколов. - М.: Инфра-Инженерия, 2019. - 172 с.

ISBN 978-5-9729-266-8

     Даны основные сведения о физических основах, строении и применении оптических волокон, принципах и технологии передачи оптических сигналов, строительстве и эксплуатации волоконно-оптических линий и перспективах их развития.
     Для студентов технических вузов направлений подготовки группы 11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи», а также инженерно-технических работников, деятельность которых связана с разработкой или эксплуатацией волоконно-оптической техники.











© Соколов С. А., автор, 2019
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2019



ISBN 978-5-9729-266-8

        ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение..........................................................6
Глава 1. Общие физические принципы передачи сигналов по волокну...8
  § 1.1. Строение волокна.........................................8
  § 1.2. Апертура волокна.........................................9
  § 1.3. Понятие о дисперсии.....................................10
  § 1.4. Распространение света по волокну........................11
  § 1.5. Понятие о моде..........................................12
  § 1.6. Типыволокна.............................................14
Глава 2. Дисперсия в оптическом волокне..........................15
  § 2.1. Причины и виды дисперсии................................15
  § 2.2. Поляризационная модовая дисперсия (ПМД).................18
Глава 3. Затухание в оптическом волокне..........................21
  § 3.1. Виды и причины затухания.................................21
  § 3.2. Затухание на изгибах....................................23
  § 3.3. Ширина полосы пропускания оптического кабеля и определение длины регенерационного и усилительного участка.................25
Глава 4. Изготовление оптического волокна. Оптические кабели.....27
  § 4.1. Методы изготовления оптических волокон..................27
  § 4.2. Щелочное стекло.........................................28
  § 4.3. Халькогенидное стекло...................................28
  § 4.4. Полимерное волокно......................................29
  § 4.5. Основные конструкции оптических кабелей.................31
  § 4.6. Кабели, изготавливаемые промышленностью России..........31
Глава 5. Волновое уравнение......................................34
Глава 6. Нелинейные явления в оптическом волокне.................39
  § 6.1. Нелинейность коэффициента преломления...................39
  § 6.2. Фазовая самомодуляция и кроссмодуляция (ФСМ и ФКМ).......40
  § 6.3. Четырехволновое смешение.................................41
  § 6.4. Вынужденное неупругое рассеяние Мандельштама — Брюллиэна.... 42
  § 6.5. Комбинационное рассеяние Рамана.........................43
Глава 7. Оптические усилители....................................45
Глава 8. Мультиплексирование и волновое уплотнение...............49
  § 8.1. Виды мультиплексирования................................49
  § 8.2. Увеличение числа каналов в существующей линии...........51
  § 8.3. Увеличение пропускной способности систем CWDM и наложение DWDM на CWDM. Ортогональное мультиплексирование................54

3

Глава 9. Современные типы оптических волокон на основе двуокиси кремния.................................................58
  §9.1.  Развитие типов волокон..................................58
  § 9.2. Существующие типы оптических волокон на основе кремния...59
Глава 10. Фотонно-кристаллические волокна (ФКВ)..................62
  § 10.1. Фотонные кристаллы.....................................62
  § 10.2. Дырчатые волокна.......................................63
  § 10.3. Брэгговские волокна....................................65
  § 10.4. Волокна со вспомогательными отверстиями................68
  § 10.5. Затухание изгиба ФКВ...................................71
  § 10.6. Отрицательный коэффициент преломления..................73
Глава 11. Строительство оптических кабельных магистралей.........77
  § 11.1. Методы прокладки оптического кабеля....................77
  § 11.2. Прокладка в земле с помощью кабелеукладчика............78
  § 11.3. Подвеска оптического кабеля на линиях электропередачи...79
  § 11.4. Метод задувки...........................................80
  § 11.5. Прокладка через реки....................................82
  § 11.6. Механическая нагрузка на кабель при прокладке..........82
  § 11.7. Техническая эксплуатация...............................83
Глава 12. Измерения на ВОЛС......................................85
  § 12.1. Измерение затухания....................................85
  § 12.2. Измерение дисперсии....................................88
  § 12.3. Определение местонахождения проложенного кабеля........89
Глава 13. Компенсация дисперсии..................................94
  § 13.1. Необходимость компенсации дисперсии....................94
  § 13.2. Компенсация с помощью включения волокна с отрицательной дисперсией.....................................96
  § 13.3. Компенсация с помощью дискретных рамановских усилителей.97
  § 13.4. Компенсация с помощью фотонно-кристаллических волокон...98
  § 13.5. Компенсация на модах высшего порядка...................98
  § 13.6. Метод инверсии спектральной фазовой характеристики передаваемого сигнала..........................................99
  § 13.7. Перестраиваемая компенсация хроматической дисперсии.....100
  § 13.8. Адаптивная компенсация хроматической дисперсии........101
  § 13.9. Электронные методы компенсации........................101
Глава 14. Понятие о солитонах...................................103
  § 14.1. Краткий исторический обзор............................103
  § 14.2. Самофокусировкалуча...................................103
  § 14.3. Принципы формирования солитонов.......................106
Глава 15. Пассивные компоненты ВОЛС.............................107
  § 15.1. Разветвители..........................................107

4

  § 15.2. Соединители...........................................110
  § 15.3. Разъемные соединители.................................111
  § 15.4. Аттенюаторы...........................................112
  § 15.5. Изоляторы и оптические циркуляторы....................112
Глава 16. Внешние электромагнитные влияния на оптический кабель...114
  § 16.1. Основные источники внешних влияний....................114
  § 16.2. Грозовые разряды........................................114
     16.2.1. Основные сведения о грозовых разрядах..............114
     16.2.2. Воздействие молнии на оптический кабель связи с металлическими элементами в конструкции..................120
     16.2.3. Воздействие молнии на полностью диэлектрический оптический кабель без металлических элементов в конструкции..125
     16.2.4. Поворот плоскости поляризации света в волокне под действием продольного магнитного поля молнии.........................129
     16.2.5. Особенности поворота плоскости поляризации при использовании волнового и ортогонального уплотнения....131
  § 16.3. Рентгеновское и гамма-излучение при грозовых разрядах и их воздействие на оптические кабели связи...................133
  § 16.4. Защита оптических кабелей от ударов молнии............139
  § 16.5. Влияние линий электропередачи на оптические кабели....142
     16.5.1. Устройство и основные параметры высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП)......................................142
     16.5.2. Расчет опасного влияния высоковольтных линий электропередачи............................................143
     16.5.3. Меры защиты от влияния ЛЭП.........................144
     16.5.4. Влияние электрифицированных железных дорог.........147
  § 16.6. Воздействие электрического поля высоковольтной линии на подвесной оптический кабель................................148
     16.6.1. Поверхностное сопротивление оболочки кабеля........149
     16.6.2. Механизм развития разряда по поверхности кабеля....152
     16.6.3. Определение времени разрушения оболочки оптического кабеля, подвешенного на высоковольтной линии электропередачи.154
Глава 17. Виды существующих линий доступа и их защита от внешних влияний..............................................157
Глава 18. Надежность ВОЛС.......................................162
Заключение. Перспективы развития ВОЛС...........................165
Литература......................................................168

5

        ВВЕДЕНИЕ


      Развитие электрической связи определялось непрерывным увеличением потребности в числе каналов. Сначала появились телеграфные линии, частотный спектр которых был невелик и легко мог быть передан по металлическим проводам воздушной линии.
      Пропускная способность линии (количество передаваемых одновременно каналов) определяется шириной спектра передаваемого сигнала, его деформацией и затуханием (которые зависят от частоты) при распространении по линии, помехами в линии и длиной самой линии. После изобретения голосовой телефонной связи, спектр которой составляет примерно 4кГц на канал, и частотного уплотнения выяснилось, что по воздушной линии на расстояние порядка 100 км можно передать спектр частот не выше 10⁵Гц, что обуславливает передачу не более 25 аналоговых каналов по паре проводов. Происходит это вследствие низкого качества параметров воздушной линии (например, сильной зависимости их от погодных условий), а также от процессов электромагнитного взаимодействия между проводами. Посредством изготовления симметричных кабелей, жилы которых постоянно меняются местами и обладают известной симметрией и одинаковой средней емкостью по отношению к оболочке, спектр передаваемых частот удалось существенно повысить (примерно до 10бГц) и передавать по паре проводов до 120 каналов, но при этом сигнал пришлось усиливать каждые 20 км. Однако потребность в междугородной связи в середине XX века между крупными городами составляла тысячи, а в некоторых случаях и десятки тысяч каналов: ее симметричные кабели удовлетворить не могли. На смену симметричным кабелям пришли кабели коаксиальные, в развитие которых существенный вклад внес выдающийся ученый С. А. Щелкунов (Массачусетский технологический университет). Коаксиальные кабели увеличили спектр передаваемых частот по паре жил до 10⁸Гц. Для аналоговой связи это означало возможность передачи до 10 000 каналов по одной паре одновременно. И появились соответствующие системы уплотнения, например, К-10800, но при этом расстояние между усилителями по длине линии составляло всего 1,5 км.
К этому времени возникла необходимость в передаче и более широкополосных и более высококачественных каналов, чем аналоговый телефонный канал. Из предложенных способов уплотнения линии наибольшее распространение получили аналоговое (или частотное) и временное (цифровое или импульсно-кодовое). При частотном уплотнении по линии передается ряд несущих частот, модулированных низкочастотным звуковым сигналом. Несущие частоты б

отделены друг от друга на ширину низкочастотного спектра модуляции. При цифровой системе передачи средняя амплитуда передаваемого сигнала в каждом канале измеряется в течение цикла (обычно каждые 125 мкс) и передается в двоичной системе по линии в отведенный для канала интервал времени. Спектр цифрового канала существенно выше (64 кГц) и требует устройств синхронизации, но зато защищенность от помех и, следовательно, качество передачи значительно выше. Цифровые системы на небольшое число каналов были разработаны уже для симметричных и коаксиальных кабелей. Более широкие возможности для этого предоставили волноводы, металлические и диэлектрические, разработка и прокладка которых началась в 60-70-е годы XX века в ряде стран, в том числе в России. Стоимость волноводов и их прокладки была значительно выше, чем у электрических кабелей.
      Развитие линий из металлических волноводов прекратилось после того, как в I960 году Басовым, Прохоровым и Таунсом были созданы первые квантовые генераторы когерентного излучения — лазеры, которые позволяют использовать для передачи сигналов оптический диапазон электромагнитного излучения. Видимый спектр расположен в диапазоне ~10¹⁴Гц (рис. 1), что открывает практически неограниченные возможности для передачи по световодам широкополосных сигналов и с большой скоростью.


1600 нм 800 780      360 нм 10

СВЧ

Ифк

I I I [спектр Гпередач

[ видимый' । 'свет
ri I i I       ।

рентген

1.9x10      3.8      7.6x10¹⁴

Рис. 1. Расположение видимого спектра и спектра передачи по волокну на оси электромагнитных частот


     После изобретения лазеров началось бурное развитие оптоволоконной техники, хотя следует сказать, что первые тонкие и относительно длинные волокна из стекла умел делать в Петрограде еще во втором десятилетии XX века академик П.Л. Капица, правда, для других целей.
     В последующих главах изложены основные сведения о физических основах, строении и применении оптических волокон, принципах и технологии передачи оптических сигналов, строительстве и эксплуатации волоконнооптических линий и перспективах их развития.

7

ГЛАВА 1.

        Общие физические принципы передачи сигналов по волокну


    §1.1. Строение волокна


сердцевина

оболочка (cladding)

Рис. 1.1. Строение волокна двухслойного стекла: п — коэффициент преломления; п1 больше п₂

     Современное волокно имеет двухслойную структуру: сердцевину диаметром от нескольких до десятков микрометров и внешний слой диаметром 125 мкм и более (рис. 1.1). Как будет показано ниже, для нормальной передачи сигналов коэффициент преломления сердцевины должен быть больше коэффициента преломления внешнего слоя: п1> п₂. В русской литературе для обозначения внешнего слоя сложилось название «оболочка», хотя на самом деле поверх двухслойного стекла имеется еще несколько покрытий, которые являются настоящей изолирующей оболочкой. В англоязычной литературе наружный слой стекла обозначается термином cladding («кладка»).
     Коэффициент преломления в волокне может меняться скачком при переходе границы между оболочкой и сердцевиной, и такое волокно называется ступенчатым. Если коэффициент преломления в сердцевине не остается постоянным, а изменяется плавно, например, по параболе, то такое волокно называется градиентным (рис. 1.2).


8

Рис. 1.2. Профиль показателя преломления

Коэффициент преломления определяется из формулы n = (su. )¹/²,
где s и li — относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости материала волокна. Так как для стекла li = 1,то n = s¹/².


    § 1.2. Апертура волокна


     Свет, входя в волокно с торца под некоторым углом, внутри волокна испытывает отражение и преломление (рис. 1.3).


Рис. 1.3. Вход света в волокно под разными углами

     Рассмотрим, например, ход луча 1. Под углом у к вертикали внутри волокна луч подходит к границе между сердцевиной и оболочкой, где часть света преломляется под углом у и переходит в оболочку, а часть отражается и остается в сердцевине. Если мы уменьшим угол 0 между лучом и осью волокна

9

(луч 2), то угол у возрастет, и преломленный луч будет распространяться ближе к поверхности сердцевины. Еще больше угол у будет в случае 3, и преломленный луч в оболочке будет распространяться почти параллельно поверхности сердцевины. При дальнейшем уменьшении угла входа 0 до 0 = 0кр наступит момент, когда угол преломления у будет равен 90°, и преломленный луч будет распространяться вдоль поверхности сердцевины и не будет заходить в оболочку. С этого момента при 0 < 0кр лучи вообще не будут выходить в оболочку и начнут распространяться только по сердцевине. Наступает режим полного внутреннего отражения. Этот угол 0кр называется апертурным углом или просто апертурой волокна. Определим величину этого угла.
     Из закона Снелля следует:
sin 0 / sin (90 -у) = n₁ / n₀ ;sin 0 = sin (90 - у)• (n₁ / n₀) = cos у •(n₁ / n₀); sin у / sin у = n₂/n₁ ;sin у = sin у • (n₂ / n₁).
     Если имеем полное внутреннее отражение, то у = 90° и sin у = 1, тогда sin у = n₂ / n₁, a cos у = (n₁²- n₂²)¹/²/ n₁,
откуда
sin 0 кр = (ni / no )• (ni² - П2¹ )¹/² / ni = (ni² - П2¹ )¹/².
     Так как этот угол маленький, то
     0кр - sin 0кр = (n₁² - n₂² )¹/² = NA (Number Aperture — числовая апертура).
     Если луч вводится под углом, меньшим 0кр, то внутри волокна существует режим полного внутреннего отражения, и луч полностью распространяется по сердцевине волокна, ничего наружу не выходит, при этом апертура волокна равна
NA = (n₁² - n₂ ²)¹/².

    § 1.3.   Понятие о дисперсии


      При распространении по волокну сигнал испытывает затухание и растяжение (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Затухание и растяжение сигнала при распространении по волокну

10

      Если на входе в волокно мы имеем прямоугольный импульс, то после пробега некоторого расстояния на выходе имеем колоколообразный импульс, длительность которого обычно определяют на уровне 0,5.
      Величина т = ^/t^ - t^ называется дисперсией сигнала в волокне. Практически это означает растяжение сигнала после его прохождения по волокну. Дисперсия очень важна, поскольку ограничивает скорость передачи сигналов (рис. 1.5).

Передача сигналов с частотой, большей чем
               F=1 /т, невозможна
Рис. 1.5. Деформация серии сигналов при распространении по волокну

     При большой скорости (частоте) передачи сигналов в результате дисперсии сигналы начинают сливаться, и передача с частотой свыше, чем 1/ т, невозможна.

    § 1.4.  Распространение света по волокну

     Распространение лучей света по ступенчатому и градиентному волокнам показано на рис. 1.6и 1.7. Будем считать, что оба луча на этих рисунках испытывают полное внутренне отражение. Два луча выходят из одной точки расширяющимся конусом и под разными углами входят в торец волокна. Какой из них на рис. 1.6 придет к выходу раньше?


11

Рис. 1.6. Распространение света по ступенчатому волокну

      В ступенчатом волокне скорость лучей v в сердцевине одинакова и равна c / n₁, где с — скорость света в вакууме. Так как луч 1 проходит по более короткому пути, то он к выходу доберется первым; луч 2 придет позже, и возникнет дисперсия сигнала. Рассмотрим теперь рис. 1.7: те же два луча распространяются по градиентному волокну. Так как коэффициент преломления в сердцевине градиентного волокна непрерывно изменяется, то лучи испытывают не


прерывное отклонение.


Рис. 1.7. Распространение света по градиентному волокну

      При этом луч 1 идет вблизи сердцевины, где коэффициент преломления примерно равен п₁ ,а скорость распространения v1 = c / n₁. Луч 2 идет больше по периферии волокна ближе к краю, где коэффициент преломления равен п₂, а скорость распространения v₂~ c/п₂. Луч 1 идет по короткому пути, зато скорость его распространения меньше, в то время как луч 2 идет по более длинному пути, но с большей скоростью, так как п1 > п₂. В результате оба луча к выходу приходят примерно одновременно, и дисперсия в градиентном волокне существенно меньше, чем при том же сечении в ступенчатом волокне. Градиентное волокно изготавливать сложнее, но получаемая выгода вследствие меньшей дисперсии волокна велика.


    § 1.5.  Понятие о моде

     Световая волна в пространстве имеет размеры, определяемые длиной волны, в пределах которой изменяются векторы электрического и магнитного поля. Волна может иметь различные размеры и форму, а также быть различным образом ориентированной по отношению к выбранной системе координат среды распространения, то есть поляризована. Возможно также различное соотношение длины волны и поперечных размеров среды распространения.


12

Свет в сердцевине волокна может распространяться только под определенными углами, когда введенные волны при их сложении усиливаются и возникает так называемая конструктивная интерференция. Тип волны с определенной пространственной и временной структурой, который может распространяться в оптическом волокне, называется модой. Математически разрешенные моды могут быть получены с помощью решений уравнений Максвелла для оптического волокна с учетом граничных условий. Можно сказать также, что мода — это собственная волна, имеющая поперечное распределение поля независимо от направления распространения. В случае волокна простейшей модой является волна с продольными линиями электрического поля, расположенными вдоль волокна (рис. 1.8) и линиями магнитного поля, которые представляют собой концентрические окружности в сечении волокна.

Рис. 1.8. Простейший случай размещения моды в волокне

     Линии электрического поля вдоль волокна показаны пунктиром. С торца волокна линии электрического поля представляют собой линии, направленные в данном случае к оси волокна. Магнитные силовые линии в сечении этой моды представляют собой концентрические окружности (на чертеже не показаны). На рис. 1.8 показано также, как изменяется в этом случае величина электрического поля вдоль сечения волокна. Это пример волны, в котором электрическое поле продольно, а магнитное поперечно. Но может быть и наоборот, когда магнитное поле продольно, а электрическое поперечно. В сечении может размещаться несколько периодов (см. рис. 1.9), и волна в большинстве случаев бывает гибридной, когда имеются и продольные, и поперечные составляющие и электрического, и магнитного полей.


13