Отечественная компонентная база волоконной техники и фотоники


В. Н. Цуканов, В. С. Чижов, М. Я. Яковлев







                ОТЕЧЕСТВЕННАЯ КОМПОНЕНТНАЯ БАЗА ВОЛОКОННОЙ ТЕХНИКИ И ФОТОНИКИ




ПРАКТИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО

Под общей редакцией кандидата технических наук, академика МАИ М. Я. Яковлева














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.39
ББК 32.88
      Ц85





     Цуканов, В. Н.
Ц85    Отечественная компонентная база волоконной техники и фотоники.
     Практическое руководство / В. Н. Цуканов, В. С. Чижов, М. Я. Яковлев. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 304 с. : ил., табл.
        ISBN 978-5-9729-0914-8

        Раскрываются вопросы импортозамещения компонентной базы волоконной техники и фотоники, приводятся параметры и характеристики волоконно-оптических компонентов отечественного производства, а также изделий фотоники, предназначенных для жестких условий эксплуатации. Описаны методики расчетов показателей надежности и радиационной стойкости, проводимые при проектировании компонентов и изделий фотоники. Для изделий фотоники приведена методика расчетов оптимальных запасов ЗИП-О с конкретными примерами. Представлены основные понятия в области охраны интеллектуальной собственности. Изложены основы авторского и патентного права, даны общие сведения о патентной информации. Основное внимание уделено структуре, содержанию и оформлению заявочных материалов на изобретения. Приводятся примеры оформления заявочных материалов на получение патента на изобретение, объектом которого является способ или устройство.
        Книга рассчитана на широкий круг читателей: студентов, инженерно-технических работников, ученых, интересующихся данной тематикой и профессионально связанных с разработкой или эксплуатацией изделий волоконно-оптической техники и фотоники.

УДК 621.39
ББК 32.88














ISBN 978-5-9729-0914-8

  © Цуканов В. Н., Чижов В. С., Яковлев М. Я., 2022
  © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ВВЕДЕНИЕ


      Уважаемый читатель, перед Вами книга, посвященная актуальным темам импортоза-мещения в области волоконной техники и фотоники, проектирования изделий волоконной техники и фотоники и защиты авторских прав при создании новых изделий.
      В книге детально описаны принципы построения, характеристики и области применения отечественной волоконно-оптической компонентной базы, предназначенной для жестких условий эксплуатации и изготовленной только из отечественных материалов и комплектующих изделий.
      В книге приведены прикладные методы технических расчетов: показателей надежности (безотказности и сохраняемости), оптимальных запасов в комплектах ЗИП, стойкости к радиационным воздействиям.
      Уделено большое внимание защите интеллектуальной собственности и оформлению заявок на изобретения и выдачу патентов при проектировании новых изделий.
      Приведено описание принципа действия, конструкции, параметров и характеристик отечественных серийно выпускаемых волоконно-оптических активных линий задержки и фазовращателей СВЧ-сигналов, построенных с применением только отечественных компонентов.
      Книга состоит из 9 глав.
      В первой главе описана нормативно-техническая база, на которую следует опираться при разработке изделий фотоники и волоконной техники.
      Во второй главе приведена общая характеристика описываемой компонентной базы. В основном это высокотехнологичная продукция, предназначенная для жестких условий эксплуатации, изготовленная только из отечественных узлов и материалов.
      В третьей главе приведены параметры и характеристики серийно выпускаемых отечественных разъемных оптических соединителей:
      -  однополюсных и двухмодульных для внутриблочного и межблочного монтажа;
      -  однополюсных, выполненных в миниатюрном исполнении;
      -  многополюсных типа ММС (МТР);
      -  термостойких и сверхтермостойких;
      -  вращающихся однополюсных;
      -  вращающихся двухполюсных.
      В четвертой главе приведены параметры и характеристики серийно выпускаемых отечественных сплавных оптических разветвителей, структура их обозначения и параметры стойкости к внешним воздействующим факторам.
      Наряду с разветвителями на одну волну оптического излучения выпускаются спектрально-селективные разветвители, предназначенные для организации дуплексного канала приема/передачи по одному оптическому волокну (ОВ) путем волнового уплотнения передаваемой информации на двух длинах волн оптического излучения 1,31 и 1,55 мкм.
      В пятой главе приведены параметры и характеристики серийно выпускаемых отечественных оптических аттенюаторов, структура их обозначения и параметры стойкости к внешним воздействующим факторам.
      Приведены параметры двух типов аттенюаторов, объединяющих 66 видов конструктивного исполнения, формирующих параметрический ряд:
      -         аттенюаторы первого типа обеспечивают фиксированное затухание оптических сигналов;
      -         аттенюаторами второго типа обеспечивают регулируемое в заданных пределах затухание оптических сигналов.
      В шестой главе приведен опыт проектирования изделий радиофотоники: активных волоконно-оптических линий задержки, предназначенных для задержки СВЧ радиосигналов

3

на заданное время, и волоконно-оптических фазовращателей, обеспечивающих сдвиг фазы СВЧ радиосигналов на заданный угол.
      Линии задержки обеспечивают задержку радиосигналов в диапазоне частот от 1 до 12 ГГц на время до 120 мкс.
      Фазовращатели обеспечивают сдвиг фазы радиосигналов в диапазоне частот от 0,4 до 12 ГГц на угол от 0 до 360 градусов.
      Приведено описание принципа действия и конструкции изделий, примеры их практического применения.
      В седьмой главе приведены методы расчета показателей надежности волоконнооптических изделий с учетом их подверженности к старению и усталости, зависимой от наработки:
      -  методы предварительных расчетов показателей безотказности с примерами расчетов;
      -        методы расчетов показателей безотказности по результатам испытаний с примерами планирования испытаний и оценки результатов испытаний;
      -  методы расчетов показателей сохраняемости с примерами расчетов.
      В этой главе подробно описан метод расчета одиночного запасного имущества и принадлежности изделий (ЗИП-О) без применения электронно-вычислительной машин с приведением конкретного примера расчета оптимальных запасов ЗИП-О для обеспечения заданного значения показателя достаточности, в качестве которого выбран коэффициента готовности.
      В восьмой главе приведены методы расчетов радиационной стойкости изделий волоконной техники и фотоники.
      Рассмотрены основные процессы, происходящие в материалах составных частей изделий под действием ионизирующих излучений.
      Приводится методика расчета радиационной стойкости разрабатываемых волоконнооптических изделий.
      В девятой главе рассмотрены вопросы защиты интеллектуальной собственности. Даны основные понятия интеллектуальной собственности и объектов патентного права. Описана процедура оформления патентных прав с приведением примеров оформления заявок на изобретение и получение патента.
      Книга рассчитана на широкий круг читателей: студентов высших учебных заведений и аспирантов, инженерно-технических работников, научных сотрудников, интересующихся данной тематикой и профессионально связанных с разработкой или эксплуатацией изделий волоконной техники и фотоники.

4

Глава 1 НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ БАЗА РАЗРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ВОЛОКОННОЙ ТЕХНИКИ И ФОТОНИКИ

      1.1. Общие сведения

    Фотоника - область физики и технологии, связанная с излучением, управлением и обнаружением фотонов [1.1]. Иными словами, фотоника занимается преобразованием оптических сигналов и применяется в самых разнообразных сферах - в системах передачи информации через оптические волокна, при создании сенсоров, в изделиях СВЧ техники и других областях науки и техники [1.2].
    Фотоника неразрывно связана с волоконно-оптической техникой и является активно развивающейся новой отраслью науки и техники.
    Основой для развития фотоники и волоконно-оптической техники является нормативнотехническая база.
    В этой области в последнее время имеются значительные положительные сдвиги, разработан комплект нормативно технической документации, включающий государственные и отраслевые стандарты.
    Объектом стандартизации явились вновь разрабатываемые и находящиеся в производстве перспективные компоненты волоконно-оптических систем передачи и фотоники.



      1.2.  Перечень действующих государственных стандартов в области фотоники и волоконной техники

      ГОСТ РВ 51949-2002 Компоненты волоконно-оптических систем передачи пассивные. Общие технические условия
      Стандарт распространяется на вновь разрабатываемые и серийно выпускаемые перспективные пассивные компоненты волоконно-оптических систем передачи:
      -  оптические соединители;
      -  оптические разветвители;
      -  оптические объединители;
      -  оптические переключатели и коммутаторы;
      -  волоконно-оптические линии задержки.
      Стандарт устанавливает:
      -  классификацию компонентов;
      -  технические требования;
      -  требования обеспечения качества;
      -  правила приемки;
      -  методы контроля;
      -  требования к транспортированию и хранению;
      -  указания по эксплуатации;
      -  гарантии изготовителя.
      Стандарт применяют при разработке технических заданий и технических условий на компоненты конкретных типов и является обязательным для предприятий-разработчиков, изготовителей, потребителей и заказчиков пассивных компонентов волоконно-оптических средств всех ведомств и организаций.

5

       OCT B4.0072-2002 Компоненты волоконно-оптических систем передачи пассивные. Форма технических условий
       Стандарт распространяется на вновь разрабатываемые и серийно выпускаемые перспективные пассивные компоненты волоконно-оптических систем передачи:
       - оптические соединители;
       - оптические разветвители;
       - оптические объединители;
       - оптические переключатели и коммутаторы;
       - волоконно-оптические линии задержки.
       Стандарт устанавливает структуру технических условий (ТУ) на компоненты конкретных типов.
       Стандарт содержит методические указания по составлению разделов, подразделов и пунктов, а также типовые редакции отдельных пунктов ТУ.
       Стандарт обязателен при составлении ТУ на компоненты, разрабатываемые по ГОСТ РВ 51949.
       OCT B4.0073-2002 Компоненты волоконно-оптических систем передачи пассивные. Методы оценки стойкости к воздействию специальных факторов.
       Стандарт распространяется на вновь разрабатываемые и серийно выпускаемые перспективные пассивные компоненты волоконно-оптических систем передачи:
       - оптические соединители;
       - оптические разветвители;
       - оптические объединители;
       - оптические переключатели и коммутаторы;
       - волоконно-оптические линии задержки.
       Стандарт устанавливает:
       - требования к измерительному оборудованию;
       -        методы оценки стойкости компонентов к воздействию специальных факторов и одиночных импульсов напряжения при воздействии ЭМИ;
       - формы представления результатов.
       Стандарт применяют при проведении испытаний на стойкость к воздействию специальных факторов на стадии разработки, при постановке на производство (в составе квалификационных испытаний) и, при необходимости, в составе типовых испытаний при серийном производстве.
       OCT B4.0074-2002 Компоненты волоконно-оптических систем передачи пассивные. Методы ускоренной оценки безотказности.
       Стандарт распространяется на вновь разрабатываемые и серийно выпускаемые перспективные пассивные компоненты волоконно-оптических систем передачи:
       - оптические соединители;
       - оптические разветвители;
       - оптические объединители;
       - оптические переключатели и коммутаторы;
       - волоконно-оптические линии задержки.
       Стандарт устанавливает:
       -        порядок проведения ускоренных испытаний на соответствие компонентов требованиям безотказности;
       - порядок оценки результатов ускоренных испытаний;
       -        методику расчета коэффициента ускорения при испытаниях и его доверительную нижнюю границу;
       - методы планирования ускоренных испытаний.
       Стандарт применяют при проведении испытаний на соответствие компонентов требованиям безотказности на стадии разработки, при постановке на производство (в составе 6

квалификационных испытаний) и, при необходимости, в составе типовых испытаний при серийном производстве
       ГОСТ РВ 6040-001-2007 Преобразователи измерительные волоконно-оптических датчиков. Общие технические условия.
       Стандарт распространяется на измерительные преобразователи волоконно-оптических датчиков.
       Стандарт устанавливает:
       -        классификацию измерительных преобразователей волоконно-оптических датчиков по типу сетевого интерфейса и по измеряемым физическим величинам;
       -        условное обозначение измерительных преобразователей волоконно-оптических датчиков с учетом сокращенного наименования измерительного преобразователя, условного обозначения типа сетевого интерфейса и краткого обозначения измеряемой физической величины;
       -        технические требования к измерительным преобразователям волоконно-оптических датчиков в зависимости от типа сетевого интерфейса;
       - требования экологической безопасности;
       - требования к обеспечению качества;
       - правила приемки;
       - методы контроля технических требований;
       - указания по эксплуатации;
       - гарантии изготовителя.
       Стандарт применяют при разработке технических заданий и технических условий на измерительные преобразователи волоконно-оптических датчиков.
       ГОСТ РВ 6050-001-2008 Компоненты волоконно-оптических систем передачи. Методы испытаний на безотказность.
       Стандарт распространяется на вновь разрабатываемые и серийно выпускаемые перспективные пассивные компоненты волоконно-оптических систем передачи:
       - оптические соединители;
       - оптические разветвители;
       - оптические объединители;
       - оптические переключатели и коммутаторы;
       - волоконно-оптические линии задержки.
       Стандарт устанавливает:
       - методы планирования кратковременных испытаний на безотказность;
       - методы планирования длительных испытаний на безотказность;
       - порядок проведения испытаний;
       - периодичность испытаний.
       В стандарте впервые учтены отличия волоконно-оптических компонентов от электронных компонентов, заключающиеся в том, что для коммутаторов и переключателей может быть принята гипотеза о нормальном законе распределения наработок на отказ, для оптических разветвителей - гипотеза о логарифмически нормальном законе распределения, для разъемных оптических соединителей - гипотеза о законе распределения Вейбулла-Гнеденко.
       ГОСТ РВ 6050-002-2011 Компоненты волоконно-оптических систем передачи пассивные. Типы, основные параметры и размеры.
       Стандарт распространяется на пассивные компоненты волоконно-оптических систем передачи:
       - оптические соединители;
       - оптические разветвители;
       - оптические объединители;

7

      -  оптические переключатели и коммутаторы;
      -  волоконно-оптические линии задержки.
      Стандарт устанавливает:
      -  типы компонентов ВОСП;
      -  классификацию и основные параметры оптических соединителей;
      -  классификацию и основные параметры оптических разветвителей и объединителей;
      -  классификацию и основные параметры оптических переключателей и коммутаторов;
      -  классификацию и основные параметры волоконно-оптических линий задержки;
      -        основные размеры разъемных оптических соединителей, оптических разветвителей, объединителей, переключателей и коммутаторов, волоконно-оптических линий задержки;
      -  условные обозначения типов компонентов волоконно-оптических систем передачи.
      Стандарт применяют при разработке технических заданий и технических условий на компоненты конкретных типов.
      ГОСТ Р 54417-2011 Компоненты волоконно-оптических систем передачи. Термины и определения.
      Стандарт устанавливает термины и определения основных понятий в области активных и пассивных компонентов ВОСП.
      Термины, установленные настоящим стандартом, рекомендуются для применения во всех видах документации и литературы, входящих в сферу работ по стандартизации в области волоконно-оптических систем передачи и (или) использующих результаты этих работ.
      Термины, установленные стандартом, касаются:
      -  общих понятий волоконно-оптической техники;
      -  активных компонентов волоконно-оптических систем передачи данных и информации;
      -  пассивных компонентов волоконно-оптических систем передачи данных и информации;
      -        параметров активных компонентов волоконно-оптических систем передачи данных и информации;
      -        параметров пассивных компонентов волоконно-оптических систем передачи данных и информации.
      ГОСТ РВ 6050-003-2014 Линии задержки волоконно-оптические активные. Общие технические требования
      Стандарт устанавливает:
      -  классификацию активных волоконно-оптических линий;
      -  технические требования к активным волоконно-оптическим линиям задержки;
      -  условные обозначения типов активных волоконно-оптических линий задержки.
      Стандарт применяют при разработке технических заданий и технических условий на активные волоконно-оптические линии задержки конкретных типов.
      ГОСТ Р 58568-2019 Фотоника. Термины и определения.
      Стандарт устанавливает основополагающие термины и определения в отношении фотоники как отрасли экономики, включая научные исследования, разработку, производство, технологии и использование продукции.
      ГОСТ Р 52266-2020 Кабели оптические. Общие технические условия
      Стандарт устанавливает требования:
      -  к классификации оптических кабелей;
      -  ких техническим параметрам;
      -  к правилам приемки;
      -  к транспортированию и хранению.
      -  безопасности и охраны окружающей среды.

8

Глава 2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАССМАТРИВАЕМОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ

      Отечественная промышленность серийно изготавливает следующие разновидности волоконно-оптических компонентов [2.1]:
      -  разъемные оптические соединители и соединительные кабели;
      -  разъемные многополюсные оптические соединители типа ММС;
      -  герметичные оптические переходы;
      -  вращающиеся оптические переходы;
      -  оптические разветвители и ответвители;
      -  оптические мультиплексоры и демультиплексоры;
      -  оптические аттенюаторы.
      Основные области применения компонентов это:
      -  оборудование стационарных объектов и систем;
      -  компоненты для внутриблочного применения;
      -  мобильные развертываемые системы и бортовое оборудование;
      -  компоненты для построения межблочной инфраструктуры;
      -  полевое применение.

      Основными отличительными особенностями рассматриваемой в книге компонентной базы фотоники и волоконной техники являются:
      -       повышенная стойкость изделий к воздействию климатических, механических и специальных факторов;
      -       все рассматриваемые компоненты построены с применением материалов и узлов только отечественного производства и соответствуют требованиям отечественной действующей нормативной технической документации и техническим условиям.
      Основными материалами и комплектующими изделиями волоконно-оптических компонентов являются:
      -  оптическое волокно (ОВ);
      -  оптические кабели;
      -  прецизионные керамические узлы: оптические наконечники и втулки - центраторы.
      Для изделий с относительно низкими требованиями по радиационной стойкости в компонентах используется стандартное ОВ изготавливаемое АО «Оптиковолоконные Системы» (Республика Мордовия).
      Благодаря проведенной в конце 2018 года модернизации производства производственные мощности завода увеличены с 2,4 млн. км до 4 млн. км, на предприятии серийно изготавливаются практически все известные типы оптических волокон [2.2].
      ОВ Компании является единственным сертифицированным в России. Получены сертификаты соответствия ОВ по ключевым международным стандартам МСЭ-Т G652D, ITU-T G657 (тип G657A1) и IEC 60793-2-50 (категории В1.3 и В6 а1). Помимо стандартных ОВ, компания также выпускает ОВ с улучшенными характеристиками, например ОВ, обладающее повышенными прочностными характеристиками и устойчивостью к механическим нагрузкам, а также ОВ диаметром 200 мкм, позволяющее уменьшить сечение кабеля, тем самым облегчая прокладку кабелей в стесненных условиях городских кабельных канализаций.
      Качество российского ОВ подтверждается не только наличием международных сертификатов, но и экспортом продукции в Китай и страны Европы.

9

      Для изделий с более высокими требованиями по радиационной стойкости применяются радиационно-стойкие ОВ. Одним из предприятий, выпускающих такие ОВ является ПАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания» (ПАО «ПНППК»), изготавливающее ОВ типа ОВ-РСИ125 по техническим условиям ПИКВ.203727.090ТУ.
      Основными поставщиками оптических кабелей для изделий волоконной техники и фотоники являются отечественные предприятия:
      -       Акционерное Общество «Особое конструкторское бюро кабельной промышленности» [2.3];
      - Акционерное Общество «ЯУЗА-КАБЕЛЬ» [2.4].
      Эти предприятия производят волоконно-оптические кабели различной номенклатуры и только высокого качества. Основные марки оптоволоконного кабеля имеют сертификаты Министерства связи.
      Наряду с кабелями общего применения, предприятия изготавливают кабельные изделия для эксплуатации в экстремальных условиях: авиационной, космической, радиоэлектронной и других видах новой техники.
      Технология изготовления прецизионных керамических узлов: оптических наконечников и втулок - центраторов, при участии ЗАО «ЦНИТИ «Техномаш-ВОС» [2.1], освоена в АО «ЦНИТИ «Техномаш» [2.5]. АО «ЦНИТИ «Техномаш» серийно изготавливает эти изделия по техническим условиям ФТЯИ.203743.192ТУ.
      Производство включает следующие участки:
      -        спекания заготовок из наноструктуированного порошка на основе частично-стабилизированного диоксида циркония;
      -       обработки заготовок, полученных спеканием наноструктуированного порошка на основе частично-стабилизированного диоксида циркония, чередующимися операциями механической обработки наружной (цилиндрической, торцевых) и внутренних поверхностей.
      Вся номенклатура продукции прошла квалификационные испытания на соответствие ГОСТ РВ 20.39.412-97, ГОСТ РВ 20.39.413-97, ГОСТ РВ 20.39.414.1-97, ГОСТ РВ 20.39.414.2-97 и другим стандартам Российской Федерации.

10