Микроструктурированные оптические волокна и фотонные кристаллы

Устойчивая тенденция использования для целей связи всего инфракрасного диапазона вплоть до видимой части спектра привели к задаче создания оптических волокон с минимальным наклоном дисперсионной характеристики в указанном диапазоне длин волн. При этом волокно должно поддерживать одномодовый режим в этом же диапазоне (700—1700 нм). Кроме того, еще одной до сих пор не решенной проблемой является создание полностью оптического эффективного процессора, на основе которого можно было бы проводить обработку сигналов на оптическом уровне. Основой такого процессора должно быть оптическое бистабильное устройство (т. е. оптический триггер). Вообще опические бистабильные устройства с оптическим же управлением созданы более 20 лет назад [103]. Однако для их работы требуются оптические сигналы с относительно большими уровнями мощности. Это делает их малопригодными для создания оптических процессоров и устройств обработки оптических цифровых сигналов. Весьма перспективными в части решения обеих проблем, обозначенных выше, являются предложенные в 1987 году периодические диэлектрические структуры, получив­шие название «фотонные кристаллы» [104, 105].

Созданные на основе таких структур оптические волокна получили название фотонно-кристаллических волокон (PCFs — Photonic Crystal Fibers) [106]. Периодическую структуру в сердечнике таких волокон образуют полые каналы — трубочки, оси которых вытянуты вдоль волокна параллельно его оси. Диаметр этих трубочек выбирается в соответствии с соотношением: d₍₁,/A = 0,2 [107]. Оптические волокна, у которых трубочки расположены по сечению сердечника непериодически, назваются микроструктурированными или «дырчатыми волокнами» (в англо­язычной литературе — Holey Fibers). В приведенном соотношении d_(|) — диаметр. трубки (дырки), л — шаг, т. е. расстояние между центрами трубок. Обычно с!_ф s 0,5 — 1,5 мкм, Л = 1 — 2,5 мкм. Такая структура «дырчатых волокон» позволяет получить следующие параметры и характеристики: малый коэффициент наклона дисперсионной характеристки ОВ — менее 0,01 пс/нм-км [108], в перспективе — получение сверхмалых потерь (ниже рэлеевского предела), большая эффективная площадь сечения А.,,,, > 500 мкм². В периодических диэлектрических структурах нелинейные оптические явления начинают отчетливо проявляться при значитель­но меньших уровнях мощности оптических сигналов, чем в оптических волокнах обычных типов. На основе таких фотонных кристаллов разрабатываются бистабильные оптические устройства, волновые преобразователи, генераторы оптического излучения с широким спектром оптических частот. Такие генераторы, в частности, необходимы для проведения испытаний и тестирования оборудования со спектральным уплотнением. Об успешных экспериментальных испытаниях такого генератора сообщается в работе [109, ПО]. Этот генератор излучал суперконтинуум оптического излучения в диапазоне длин волн от 600 до 2000 нм при вводе в него оптических импульсов фемтосекундной длительности.

Брэгговские оптические волокна

Разновидностью фотонно-кристаллических волокон являются т. н. брэгговские оптические волокна. Такие волокна не имеют полых трубок, но вместо них пока­затель преломления сердечника изменяется вдоль радиуса по периодическому закону Брэгга: Н -— X [107]. Оставаясь одномодовым, такое волокно может иметь 2я

А_эф в несколько сот мкм². В работе [112] сообщается о создании брэгговского волокна с эффективной площадью сечения А^ = 517 мкм², при этом волокно является одномодовым с геометрическим диаметром сердечника d_c = 22 мкм. Один из примеров геометрии микроструктурированных тических волокон представлен на рис. 6.21 [112], в левой части рисунка — брэгговское волокно, в правой — фотоннокристаллическое.

Описанные оптические волокна специальных типов пока не вышли из стадии лабораторных исследований, поскольку не устранены их существенные недостатки: очень большое вносимое затухание — от 0,4 дБ/м до 100—200 дБ/км, кроме того, не решен ряд других проблем, среди которых проблема соединения таких волокон и, конечно, высокая стоимость.

Глава 7. Оптические кабели

Данная глава не является справочным материалом по оптическим кабелям. Эта задача решена в работе [113]. Назначение главы — ознакомить читателя с классификацией оптических кабелей (далее (Ж), их устройством и основными конструкциями, назначением и областью применения.

Современные проводные системы передачи строятся с использованием практически только оптических кабелей. Основа оптических кабелей — оптические волокна. В зависимости от назначения, условий прокладки и эксплуатации разработаны и производятся оптические кабели (в дальнейшем — ОК) разных типов и конструкций.

По сравнению с металлическими коаксиальными и симметричными кабелями, состоящими из медных проводников, ОК имеют ряд особенностей [114]. В гл. 5 отмечалось, что оптические волокна выполняются из сверхчистого кварца с необходимыми добавками или, реже, из полимеров. Эти материалы — хорошие диэлектрики, вследствие чего оптические волокна, а значит, и оптические кабели, не чувствительны к электромагнитным помехам. Кроме того, они значительно более устойчивы к различным агрессивным химическим средам, малый диаметр ОВ — вместе с защитной оболочкой не более 250 мкм — и малая масса позволяют при равных с металлическими кабелями информационных параметрах изготавливать ОК значительно меньшего диаметра и погонной массы. Это, если говорить о ка­белях, для систем плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ). Для систем СЦИ металлических аналогов в плане информационных свойств не существует. Конструктивно при равных с металлическими кабелями диаметрах оптические кабели имеют большее количество информационно-проводящих жил. Благодаря малому затуханию и незначительным искажениям формы и длительности оптических им­пульсов, а также малому диаметру и массе, оптические кабели имеют гораздо бо­льшую строительную длину — до 6 км (для подводных систем — до 50 км). Вместе с тем, поскольку основа ОК — кварцевый (реже полимерный) световод, это созда­ет ряд особенностей и сложностей при их сращивании.,

Несмотря на вышеприведенные особенности, оптические кабели должны удов­летворять ряду требований, предъявляемых к традиционными металлическим ка­белям связи [114].

Они должны обеспечивать:

• возможность прокладки в тех же условиях, в которых прокладываются симметричные и коаксиальные электрические кабели;

• максимальное использование тех же методик кабелепрокладочной техники и оборудования;

• возможность сращивания и монтажа в полевых условиях с достаточной легкостью и в течение короткого времени;

• устойчивость к внешним воздействиям в соответствии с условиями эксплуатации на сетях связи;

• надежность эксплуатации с заданными показателями безотказности, долговечности и ремонтопригодности.

Необходимо отметить, что по такита показателям, как устойчивость к внешним воздействиям и надежность эксплуатации, ОК не только не уступают, но и значительно превосходят металлические.риведенные выше особенности и требования определяют конструкции и типы оптических кабелей. В настоящее время условно можно выделить четыре типа конструкций ОК (условно потому, что по компоновке оптических волокон и по назначению они могут быть разделены на большее число типов и конструкций) [114, 115]:

а)      многоповивные, или кабели повивной скрутки;

б)      кабели пучковой скрутки;

в)      кабели с профильными несущими сердечниками;

г)      ленточные кабели.

К этому перечню следует добавить также одноволоконные кабели, в том числе для внутристоечных соединений (это кабели patchcord длиной 3 м с концами, разделанными в оптические разъемы), кабели для подводной прокладки и кабели для подвески на высоковольтных линиях электропередачи или вдоль линий контактной сети на железных дорогах.

На рис. 7.1 представлены эскизы поперечных сечений оптических кабелей разных типов: типы «а» и «б» относятся к классической конструкции, типы «в» и «г» характерны для большинства оптических кабелей.

OK типа «а» выполнен в виде повивов из оптических модулей, закрученных вокруг центрального упрочняющего элемента. Такая конструкция эффективна при числе оптических модулей не более 20. Типовой повивной ОК имеет внешний диаметр 12 мм и от 6 до 8 оптических модулей. Оптический модуль представляет собой полимерную трубку со свободно уложенным в ней волокном.

Оптический кабель типа «б» состоит из пучков оптических модулей, повитых вокруг центрального упрочняющего сердечника. Пучок представляет собой полимерную трубку, внутри которой имеются профильные сердечники с продольными пазами. В эти пазы свободно уложены оптические волокна. В отличие от ОК повивной скрутки, повивы в оптическом модуле кабеля типа «б» имеют одинаковые направление и шаг. Кабель этого типа содержит 25—50 модулей, в типовой конструкции — 40. Внешний диаметр кабеля равен 15...25 мм.

Оптический кабель типа «в» состоит из сердечника, представляющего собой несущий пластиковый элемент с винтообразными пазами, в которые свободно, без натяжения, уложены световоды с первичной защитной оболочкой или оптические модули, диаметр которых меньше ширины паза. Сердечник с оптическими волокнами или модулями обматывается изоляционной лентой и покрывается оболочкой. В некоторых конструкциях ОК упрочняющий сердечник имеет круглое сечение, вокруг которого по спирали навиты прокладки с чередующимися между ними свободно лежащими оптическими модулями. В кабелях типа «в» содержится обычно 8—10 световодов. Их внешний диаметр — до 20 мм.Сердечник кабелей типа «г» собран из отдельных плоских лент с параллельно уложенными на расстоянии друг от друга в несколько десятых долей миллиметра световодами. Скрученные ленты образуют сердечник кабеля. Упрочняющие элементы в таком ОК расположены в оболочке. Благодаря плотной укладке кабель такой конструкции можно изготовить с весьма небольшим диаметром. Так, кабель из 144 оптических волокон имеет внешний диаметр 12 мм. Малые размеры сердечника позволяют осуществлять компоновку в сочетании с другими кабельными элементами.

Каждый из рассмотренных типов ОК имеет свои преимущества и недостатки. Их применение в каждом конкретном случае диктуется условиями прокладки, эк­сплуатации и характером решаемой задачи.

7.1. Отечественные оптические кабели

В настоящее время отечественная кабельная промышленность освоила производство оптических кабелей практически любых типов и назначений. Эти кабели отвечают требованиям международных стандартов и изготавливаются из оптических волокон зарубежного производства. Все используемые ОВ отвечают нормам МСЭ-Т (ITU-T) G.651—G.654. Для изготовления ОК применяются как отечественные, так и импортные материалы высокого качества. Оптические волокна поставляются следующими известными компаниями — Corning Incorporation (США), OFC — Optical Fiber Solution (бывшее подразделение компании LUCENT TECHNOLOGIES, ныне принадлежит компании Furukawa, расположенной в США), Fujikura (Япония), Alcatel (Франция), производящая оптические волокна типа TeraLight, Sumitomo (Япония). На основе этих волокон оптические кабели в России производят четырнадцать предприятий [ИЗ]:

- СП ЗАО «ОФС Связьстрой-1», Волоконно-оптическая кабельная компания (ВОКК), соучредитель OFC (США), г. Воронеж;

- СП ЗАО «Москабель-Фуджикура» (МФК), соучредитель Fujikura (Япония);

- СП ЗАО «Самарская оптическая кабельная компания» (СОКК), г. Самара,соучредитель Corning Inc. (США);

- ЗАО «ОКС01» Санкт-Петербург;

- ООО «Оптен» Санкт-Петербург;

- ЗАО «Сарансккабель-Оптика», г. Саранск;

- ОАО «Совкабель-Оптика», Санкт-Петербург;

- ООО «Эликс-кабель», г. Москва;

- ЗАО «Яуза-кабель», г. Москва;

- ООО «Еврокабель», Москва;

- ЗАО «Трансвок», г. Боровск, Калужской области;

- ЗАО НФ «Электропровод», г. Москва;

- ООО ВНИИКП-ОПТИК, г. Москва [116].

Одним из крупнейших российских предприятий, производящих оптические кабели, является народная фирма АОНФ «Электропровод». Этот завод выпускает почти все типы оптических кабелей для наземных ВОСП — от магистральных и подвесных ОК до внутриобъектовых, а также ОК для внутристоечных соединений.

На рис. 7.2 представлены поперечные сечения нескольких типов магистральных ОК.

Кабели типа ОКБС-Т (рис. 7.2а) предназначены для прокладки в грунтах всех категорий, в том числе зараженных грызунами (кроме грунтов, подверженных мерзлотным деформациям), в воде для прокладки через водные преграды и судо­ходные реки глубиной более двух метров, в кабельной канализации, трубах, бло­ках, коллекторах, на мостах и в кабельных шахтах. Этот тип ОК снаружи покрыт полиэтиленовой оболочкой, под которой имеется броня из стальной проволоки, а под ней — броня из стальной гофрированной ленты. На рис. 7.26 показано сече­ние ОК типов ОКБ-М...ОКНБ-М. Этот тип кабеля имеет то же самое назначение. В качестве силового элемента в нем применяется стальной трос или стеклоплас-тиковый пруток (в центре). Наружная оболочка кабеля выполнена из обычного полиэтилена или из полиэтилена, не распространяющего горение. Под оболочкой имеется броня из стальной проволоки. Кабель типа ОКБ-Т, представленный на рис. 7.2в, имеет наружную оболочку из полиэтилена, под которой располагается броня из стальной проволоки. Все перечисленные типы ОК выполнены на основе одномодовых ОВ с затуханием 0,22 дБ/км на длине волны 1550 нм. В названиях кабелей заложены их основные характеристики: ОКСБС-Т 6,0-10-0,22-8 — это оптический кабель, броня из стальной проволоки, диаметр центральной трубки (6,0), диаметр сердечника ОВ (10), затухание ОВ — 0,22 дБ/км, 8 — количество волокон. Остальные конструктивные параметры магистральных ОК представлены в табл. 7.1.

Городские оптические кабели представлены на рис. 7.3. Кабели типов ОК-М...ОКН-М и ОКО-М...ОКНО-М (рис. 7.3а, б) предназначены для прокладки в кабельной канализации, трубах, блоках, коллекторах, на мостах и в кабельных шахтах. Кабели типа ОК-М6П-10-0,28-24 снаружи покрыты полиэтиленовой обо­лочкой, тип используемого волокна — одномодовое с затуханием 0,22 дБ/км. ОК типов ОКО-М...ОКНО-М кроме полиэтиленовой оболочки имеют под ней оплетку из стальной проволоки. Тип используемого волокна — многомодовое ОВ с затуханием 0,6 дБ/км на длине волны 1300 нм. Оба типа кабелей имеют центральный силовой элемент — стальной трос или стеклопластиковый пруток. Оптические кабели типов ОКС-М...ОКНС-М, ОКСА-Т, ОКНСА-Т (рис. 7.3в, г) предназначены для прокладки в легких грунтах, кабельной канализации, трубах, блоках, коллекторах, на мостах и в кабельных шахтах. Кабели типа ОКС-М...ОКНС-М имеют центральный силовой элемент — стальной трос или стеклопластиковый пруток. Наружная оболочка выполнена из полиэтиленового покрытия, не распространяющего горение, под которой имеется броня из стальной гофрированной ленты. Кабели типа ОКСА-Т...ОКНСА-Т имеют наружную полиэтиленовую оболочку, под которой расположена броня из стальной гофрированной ленты и обмотка из арамидных нитей. В кабелях этих типов используются оптические одномодовые волокна с затуханием 0,22 дБ/км. Конструктивные параметры кабелей представлены в табл. 7.2.

 

	Тип кабеля
Конструктивный параметр	ОКБС-Т6.0-10-0,22-8	ОКБ-М, ОКНБ-М	ОКБТ-6,0-10-0,22-8
Диаметр центральной трубки, мм	-3,0; 4,0; 6,0	-	3,0; 4,0; 6,0
Количество волокон	4... 24	4...48	4...24
Тип волокна	Одномодовое или многомодовое	Одномодовое или многомодовое	Одномодовое или многомодовое

7.1. Отечественные оптические кабели

 

	Тип кабеля
Количество модулей	-	6,8	-
Диаметр модуля, мм	-	2,0	-
Центральный силовой элемент		Стальной трос или стеклопластиковый пруток	—
Растягивающее усилие, Н	10000	10000	7000
Рабочая температура, °С	-40...+50	-40...+50	-40...+50

Таблица 7.2

Конструктивные параметры городских ОК производства АОНФ «Электропровод»

 

	Тип кабеля
Конструктивный параметр	ОК-М, ОКР-М, ОКО-М	ОКС-М, ОКНС-М, ОКСА-Т, ОКНСА-Т
Количество модулей	6,8,12	6,8,12
Диаметр модуля, мм	2,0	2,0
Количество волокон	4-72	4-72 (ОКС-М, ОКНСА-Т) 4-24 (ЩКСА-Т, ОКНСА-Т)
Растягивающее усилие, Н	1500 для ОК-М 3500 для ОКО-М	3500 '
Диаметр центральной трубки, мм	-	3,0; 4,0; 6,0
Рабочая температура, °С	-40...+50	-40...+50

Внутриобъектовые ОК предназначены для прокладки внутри зданий, сооружений, станций, внутри аппаратуры.

Кабель типа ОКНС-Т (рис. -7.4) имеет наружную оболочку из полиэтилена, не распространяющего горение, и обмотку из арамидных нитей. Используемое волокно — многомодовое с сердечником диаметром 50 мкм и затуханием 0,6 дБ/км на 1300 нм, кабель типа ОКВ-М6(2, 9/0, 9)П-62,5-0,6-6 покрыт наружной оболочкой из поливинилхлоридного пластиката, имеет центральный упрочняющий элемент — стеклопластиковый пруток. Используемое ОВ — многомодовое с диамет­ром сердечника 62,5 мкм и затуханием 0,6 дБ/км на 1300 нм. В табл. 7.3 приведены конструктивные параметры этих типов ОК.

Завод выпускает также двухволоконный микрокабель типа ОК-М2(2, 9/0, 9). Диаметр кабеля 0,9 мм с упрочняющими нитями. Тип волокна — одномодовое или многомодовое. Одноволоконный соединительный микрокабель с упрочняю

щими арамидными нитями и буферным покрытием из полиэтилена может быть использован для внутриаппаратурных соединений. В нем может быть использовано одномодовое или многомодовое ОВ.

Оптические подвесные кабели предназначены для подвески на опорах линий связи, контактной сети железных дорог, линий электропередач на напряжение до 110 кВ. На рис. 7.5 представлено поперечное сечение одного из типов подвесных ОК- ОК/А-М...П, ОК/П-М-П, ОК/Т-М...П.

Этот тип кабеля имеет центральный силовой элемент из стеклопластикового прутка. Внешний силовой элемент выполнен из арамидных нитей и пластикового троса. В кабелях используется одномодовое О В с затуханием 0,4 дБ/км на 1300 нм. Конструктивные параметры подвесных ОК представлены в табл. Оптические кабели аналогичного назначения производит также ЗАО «Моска-бельмет», но большая часть его продукции — это магистральные кабели, более двадцати типов. Во всех типах магистральных ОК используется одномодовое во­локно, по своей конструкции они различаются в зависимости от условий про­кладки. На рис. 7.6 изображено поперечное сечение междугородного кабеля, од­ного из типов A-D2Yb2Y6xUE9/125 0.22Н 18(7,0).

Конструкция кабелей A-Db2Ylx4E9/125 0,22Н 18(7,0) обеспечивает защиту от грызунов, броня из круглых оцинкованных стальных проволок, защита от распространения влаги вдоль кабеля обеспечивается водоблокирующей лентой и гидрофобным заполнителем. Кабели этих типов предназначены для прокладки в грунтах всех категорий (кроме подверженных мерзлотным деформациям), в кабельной канализации, в трубах, блоках, коллекторах на мостах и в шахтах, через неглубокие болота и несудоходные реки. Оптические кабели типов DL-D9ZN)2Ylx4E9/125 0,22H 18(2, 7) защищены от влаги алюмополиэтиленовой лентой и предназначены для прокладки в полиэтиленовых трубах и трубах «Du-raline». Кабели типов ADSS-D2Y(ZN)2Y6x4E9/125 0,22H 18(6,0) предназначены Для подвески на опорах линий электропередач железных дорог, столбах городского освещения или телефонной связи. Основные технические параметры и конструктивные особенности кабелей представлены в табл. 7.5.

Таблица 7.3

Конструктивные параметры внутриобъектовых ОК производства АОНФ «Электропровод»

 

 

 

Конструктивные параметры	Тип кабеля
	ОКНА - Т		Окв - м
Диаметр центральной трубки, мм	3,0; 4,0; 6,0		-
Количество модулей	-		6,8,12
Конструктивные параметры		Тип кабеля
		ОКНА - Т		окв-м
Количество волокон		4-24		4-12
Диаметр модуля, мм		-		И 2,9
Растягивающее усилие, Н		500		500
Рабочая температура, °С		-10...+50		-10...+50

Таблица 7.4

Конструктивные параметры подвесных оптических кабелей производства АОНФ «Электропровод»

 

Конструктивные	Тип кабеля
параметры	ОК / А - М, ОК / П... М	ОКА - Т	ОКА - М... П
Количество модулей	6,8	-	6,8
Диаметр модуля, мм	2,0	-	2,0
Количество волокон	4-48	2-24	4-48
Диаметр центральной трубки, мм	-	3,0; 4,0; 6,0	-
Растягивающее усилие, Н	3000, 3500, 5000, 7000	3500, 5000, 7000	3000, 3500, 5000, 7000
Рабочая температура, °С	-60...+60	-60...+60	-60...+60

Таблица 7.5

Основные технические параметры и конструктивные особенности кабелей производства ЗАО «Москабельмет»