7.3. Волоконно-оптические кабельные линии

По световоду распространяется ... «невидимый» свет. Это может по­казаться несколько неожиданным, тем более, что в рекламных журналах можно увидеть красочные фотографии, на которых свет эффектным веером льется из стеклянных нитей - оптических волокон. Но это не так!

А разве свет бывает невидимым? Если быть точным, то следует сказать, что светом называют электромагнитное излучение, вос-принимаемое человеческим глазом. Длина волны этого излучения 5 мкм. Но часто физики называют светом и невидимые элек-тромагнитные волны, длины которых лежат далеко за пределами это-го интервала: 0,01...340 мкм.

Сейчас в технике связи по оптическим волокнам широко использу-ется длина волны 0,85 мкм, которая находится за зримым диапазо-ном. Чем это вызвано? Чуть позднее мы ответим на данный вопрос, а пока взгляните на оконное стекло. Вам кажется, что ничего более прозрачного для света придумать нельзя? Однако если сделать из этого стекла нить и ввести в нее луч лазера (например, гелийнеонового, λ = 0,63 мкм), то даже при достаточно короткой ее длине свет настолько ослабится, что не будет излучаться из противополож-ного торца нити. Значит, обычное стекло не так уж прозрачно, как хо-телось бы, и луч в нем, «спотыкаясь», не доходит до финиша. Дейст­вительно, пачка из нескольких стекол кажется уже не прозрачной, а зеленой, а торец ее - вообще черным.

Прозрачность стекол зависит от наличия в нем примесей различных элементов. Чем меньше примесей, тем стекло прозрачней. При изготовлении световодов из стекла нужно обеспечить очень высокую степень, его очистки. Получить сверхчистое стекло удалось совсем

недавно. Это сделал в 1970 г. инженер американской фирмы «Corningglass company» по фамилии Капрон. Он и его сотрудники изготовили тонкую стеклянную нить очень высокой (по тем временам) степени прозрачности: в такой нити свет на расстоянии в 1 км ослабляется в 100 раз.

Дальнейший прогресс в технологии получения сверхпрозрачных оптических волокон позволил уже в 1972-1973 гг. уменьшить ослабление света: теперь на таком же расстоянии он ослаблялся только в три раза. В лучших образцах современных световодов, изготовленных из сверхчистого кварцевого стекла, интенсивность света на длине 1 км уменьшается всего в 1,05 раза.

Как получают сверхчистое стекло? Это очень трудоемкий процесс. Чтобы иметь о нем хотя бы отдаленное представление, мы расскажем, как делается стекло из кварца.

Кварц - это оксид кремния (SiO₂). При температуре выше 1710 °С кварц плавится и переходит в жидкое состояние. Можно было бы варить из кварца стекломассу и затем вытягивать из нее волокно. Однако в данном случае трудно избавиться от примесей и изготовить сверхчистое стекло, поэтому поступают следующим образом. Сначала получают с помощью химической реакции «газообразный» кварц (или, еще говорят, его газовую фазу), в таком состоянии примесей в нем почти нет. Затем путем охлаждения осаждают его в твердом виде на внешней или внутренней поверхности цилиндрического стержня. Этот метод так и называют - химическое осаждение из газовой фазы.

Рассмотрим случай (рис. 7.7), когда осаждение кварца происходит на внешней поверхности стержня (его называют затравочным). В горелку наподобие бунзеновской подают газовую смесь: горючий газ - для создания высокотемпературного пламени; газ в виде соединения кремния с хлором (хлорид SiCI₄) - как основной «держатель акций» кремния; кислород (О₂) -для получения реакции окисления хлорида. В жарком пламени горелки (до 1600 °С) кремний и кислород воссоединяются, и рождаются мел кие порошкообразные частицы высокочистого кварцевого стекл;) (SiO₂), а отделившийся в самостоятельный газ хлор (2Сl₂) улетучивается через вытяжной колпак.

На расстоянии 15 см от горелки вращается и перемещается вдоль нее затравочный стержень, к поверхности которого и прилипают эти порошкообразные частицы. За 1 мин на стержне осаждается 0,5...1,0 г стекла. Когда толщина слоя достигает нужного размера, процесс ос­танавливается и стеклянную заготовку снимают с затравочного стержня. Получается стеклянная трубка, а нужна сплошная цилинд-рическая заготовка. Как быть? Что дальше делать?

Следующая стадия процесса состоит в нагревании трубчатой заго-товки пламенем приблизительно до 1900 °С. За счет сил поверхност-ного натяжения, возникающих в размягченной трубке, происходит «схлопывание» (есть такой специальный термин) трубчатого цилинд-­ра в сплошной. Полученную стеклянную заготовку вытягивают в тон-­кое оптическое волокно. Например, из заготовки 1 м и диаметром 1 см можно вытянуть стеклянную нить диаметром 100 мкм и длиной 10 км.

Конечно, описанный способ изготовления оптического волокна не единственный, и материалы для него используются разные, не только кварц. Мы ограничились описанием (да и то в самых общих чертах) процесса, разработанного американской фирмой «Corning glass», чтобы читатель смог составить представление о технологии произ­водства прозрачных стекол для световодов.

И все же, как ни стараются сделать стекло сверхчистым, свет в нем все равно ослабляется. Ослабление света происходит по двум причинам: он рассеивается за пределами стеклянной нити и погло­щается в ней молекулами и атомами «вредных» примесей, находя­щихся в стекле. Установлено, что рассеяние света зависит от длины волны передаваемого излучения. Чем короче длина волны, тем выше рассеяние света.

Рис. 7.8. Ослабление света в стеклянном волокне

Если посмотреть на график ослабления света в стеклянном волокна (рис. 7.8), построенный для различных длин волн, то на нем можно инь так называемое окно прозрачности, в котором ослабление сравнительно небольшое.

Следует сказать, что в технике связи ослабление измеряют обыч-но не в «разах», а в специальных единицах - «белах» (в честь изобретателя (телефона А.Г. Белла). Чтобы получить «белы», нужно прологарифмировать «разы». Эти единицы особенно удобны, когда речь идет об ослаблении в огромное число раз. Например, если ослабление в «разах» составляет миллион, то в «белах» - это всего 6 (lg 1000 000 = 6). Ослабление в 1000 раз соответствует 3 Б (Ig 1000 = 3).

Дальше все понятно: 100 раз - это 2 Б, 10 раз - 1 Б. Перевод в белы величины «3 раза» даст 0,5 Б, а величины «1,05 раза» - 0,02 Б. Для практики бел - слишком крупная единица, поэтому чаще используют более мелкую -децибел (1 Б = 10 дБ подобно тому, как 1 м = 10дм).

Таким образом, и завоевания в области прогрессивных стеклотех-нологий можно в полной мере оценивать децибелами (на сегодня ос-лабление света, или потери его интенсивности, в волокне составляет 0,2 дБ/км).

Однако взглянем еще раз на «окно прозрачности». Оно охватывает длины волн, расположенные в диапазоне ближнего инфракрас­ного излучения (0,85...1,8 мкм), т.е. в области «невидимого» света. Правда, внутри окна для некоторых излучений (0,95; 1,24; 1,39 мкм) подаются всплески ослабления. Это вызвано тем, что колебания света «попадают в такт» (в резонанс) с колебаниями ионов «вредных гидроксильных групп ОН - непрозрачной компоненты стекла, от которой, как правило, не удается избавиться даже при изготовле-нии сверхчистых стекол. Возникает резонансное поглощение света ионами этих групп.

Рис. 7.9. Распространение света в стекловолокне

Теперь становится понятным, почему в световодах предпочитают иметь дело с волнами невидимого света, за исключением, конечно, тех волн, которые сильно поглощаются.

Известно, что скорость света v в прозрачном веществе меньшг скорости света с = 300 000 км/с в вакууме. Отношение c/v обозначили буквой n и назвали показателем преломления света в веществе. Но разве можно сломать световой луч? Оказывается можно. Опустите и стакан с водой ложку (рис. 7.9). На границе раздела между воздухом и водой ложка покажется вам сломанной. Это случилось потому, что на границе воздуха и воды световые лучи из-за разных скоростей рас-пространения (в воде скорость в 1,33 раза меньше, чем в воздухе) преломились.

Итак, когда луч света попадает на границу раздела двух веществ с показателями преломления n₁ = c/v₁ и n₂ = c/v₂ (у воздуха этот по­казатель равен 1), возникают отраженный луч (помните, «угол паде­ния равен углу отражения»?) и преломленный лучи. Первый, отража­ясь от поверхности, остается в веществе, а вот второй выходит за его пределы. Для вещества - это потери, рассеяние света.

В оптике существует формула, по которой, зная показатели пре­ломления n₁ и n₂ веществ и угол Θ падения (отражения) луча, можно найти, под каким углом Θ_ПР он преломляется:

Конечно, при передаче света по волокну хотелось бы, чтобы свет только отражался от границы и не рассеивался за пределы вещества в виде преломленных лучей. Это начинает происходить с того момента когда угол Θ_ПР достигает 90°: наступает полное отражение. Приве-денная выше формула позволяет вычислить, под каким углом луч должен падать при этом на границу раздела веществ. Например, волокно из стекла с показателем n₁ = 1.46, помещенное в воздухе (n₂ = 1), будет полностью отражать те световые лучи, которые попадают на его боковую поверхность под углом Θ > 45°.

Не следует забывать, что свет вводят в торец волокна. Здесь картина иная: на боковую поверхность волокна будет падать луч, преломленный его торцом. И падать он должен так, чтобы полно-стью отражаться от боковой поверхности (см. рис. 7.9). Возникает вопрос: под каким же углом надо вводить луч в волокно? Оказыва-ется что в стеклянных волокнах, показатель преломления которых равен или больше 1,46, все световые лучи, попадающие на торец, направляются вдоль волокна и свет не рассеивается. К ним отно-волокна и виолокна из кварцевого стекла, показатель преломления которых как раз равен 1,46.

Однако, «голые» волокна в оптических кабелях не используются. И вот по какой причине. Для сохранения оптических свойств волокна в условиях эксплуатации необходимо защищать его поверхность от влаги и истирания во время операций намотки и изготовления ка-беля. Кроме того, голые стеклянные волокна при образовании на их поверхности микротрещин могут самопроизвольно, обрываться; это концентрацией механических напряжений на поверхности волокна. Поэтому стеклянную нить помещают внутрь защитного пла­стмассового покрытия. Чтобы не нарушить условия распространения световой волны в волокне (пластмасса это не воздух), его делают из двух слоев стекла: внутренний слой образует сердцевину волокна, а внешний слой является оболочкой. Показатель преломления оболочки ниже показателя преломления сердцевины, так что практически все световые лучи распространяются внутри сердцевины.

Сделать двухслойное волокно с различными показателями пре­ломления не так уж сложно. Когда на затравочном стержне наращи-вают слой кварцевого стекла, в нужный момент (т.е. при получении его толщины, соответствующей сердцевине волокна) в газовую смесь, подаваемую в горелку, добавляют присадки, которые изменяют пока-затель преломления следующего слоя - оболочки. Таким путем мож-но получить и волокно, состоящее из нескольких слоев с различными нолями преломления.

Оптические волокна, у которых показатель преломления меняется и (ступенькой) при переходе от сердцевины к оболочке (или к оболочкам), назвали ступенчатыми.

Обычно показатели преломления сердцевины и оболочки различа-ются не значительно. Например, если показатель преломления сердце-вины n₁ = 1.465, то показатель преломления оболочки n₂ = 1.460. Расчет по приведенной ранее формуле показывает, что в сердцевину войдут не все лучи, а только те из них, которые подходят к торцу под небольшим углом.

Рис. 7.10. Оптические волокна: многомодовое (а), градиентное (б), одномодовое (в)

Если к тому же сделать сердцевину очень тонкой, скажем 5... 10 мкм (это тоньше человеческого волоса), то по ней смо жет распространяться всего один луч, или одна мода. Весь же воло конный световод вместе с оболочкой имеет стандартный диаметр 125 мкм. Такой световод называется одномодовым (рис. 7.10, в), В него лучше направлять острый луч полупроводникового лазера (рис. 7.11), так как рассеянный поток света от светодиода ввести и тонкую сердцевину очень трудно.

На практике широко применяются также волокна с толстой серд цевиной - 50...80 мкм (внешний их диаметр оставляют неизменным 125 мкм). С такими световодами могут уже без особых сложностей «работать» недорогие и изготавливаемые в массовом количестве светодиоды. В связи с тем, что в толстую сердцевину волокна могу: войти (и будут распространяться по ней) сразу много лучей (или мод). а не один, как в одномодовом волокне, световод такой конструкции получил название многомодового (рис. 7.10, а).

У читателя может сложиться впечатление, что использовать мно гомодовое волокно гораздо выгоднее, чем одномодовое: и высокая точность изготовления сердцевины не требуется, и дорогостоящий источник света (полупроводниковый лазер) не нужен, и меньшие сложности возникают при соединении волокон друг с другом и волокна с источником (можно обойтись без специальных разъемов, изго-товленных с очень высокой точностью и потому стоящих очень дорого). Однако это не так. У многомодовых светодиодов есть один существенный недостаток, сводящий на нет все их преимущества.

Представьте себе, что по такому волокну передаются импульсы с очень высокой скоростью, например 1 Гбит/с (миллиард бит в секунду) Каждому импульсу соответствует очень короткая вспышка света длительностью 1 нс (миллиардная доля секунды - ее трудно даже себе представить! ). Так должно быть. И так было бы, если бы вдоль волокна распространялся всего один луч. Но в многомодовом волокне распространяется много лучей: один из них проходит более короткий путь вдоль оси сердцевины, а другие, которым приходится отражаться от боковой поверхности бесконечное число раз, - самый длинный путь. И это разница в пути возрастает с увеличением длины.

За счет опоздавших к «выходу на сцену» лучей световой импульс «разжимается» во времени. Сложится такая ситуация: уже давно пора передавать следующий импульс, а еще не «погасли» вспышки света от предыдущего. Чтобы этого не случилось, придется уменьшать скорость передачи до тех пор, пока вспышки света не будут четко отделены одна от другой интервалами времени.

Ограничение скорости передачи цифровой информации - вот основной недостаток многомодовых светодиодов. Предельная скорость передачи по ним - 20 Мбит/с. Зато по одномодовым световодам можно «гнать» информацию со скоростью 100 Гбит/с, т.е. в 5000 раз быстрее.

Для того чтобы реализовать достоинства многомодовых световодов и в то же время повысить скорость передачи информации по ним, ученые предложили делать световоды не ступенчатыми (т.е. не со скачкообразным изменением показателей преломления сердцевины и оболочки), а, как говорят специалисты, градиентными - с плавным ионием показателя преломления сердцевины от одного края до другого (рис. 7.10, б). Такой маневр позволяет в какой-то мере выров нять время хода различных лучей и уменьшить «размывание» (спо-циалисты говорят: дисперсию) световых импульсов. Скорость перо дачи по таким волокнам возрастает по сравнению со ступенчатыми волокнами в 100 раз, т.е. до 2 Гбит/с. При изготовлении градиентных волокон нужно следить за тем, чтобы количество присадок в газооб-разной смеси горелки, «отвечающих» за показатель преломления, при осаждении слоя сердцевины непрерывно менялось по нужному закону.

Итак, мы познакомились с различными типами оптических волокон Но волокна не применяются отдельно. Их объединяют в оптические кабели. По внешнему виду они очень походят на электрические и мо-гут содержать от нескольких десятков до нескольких сотен волокон.

Оптические кабели ни в чем не уступают электрическим! Их можно прокладывать в земле и под водой, подвешивать на опорах, протяги-вать в кабельных канализациях. Они легко изгибаются - световоды но ломаются даже тогда, когда радиус изгиба очень мал, меньше 1 см, они прочны на разрыв - само волокно из-за его однородности оказа-лось крепче стальной струны того же диаметра, да и в кабель вводятся специальные упрочняющие (армирующие) элементы; хорошо за-щищены от влаги и сырости - иначе бы стекло помутнело и изменило свои оптические свойства. Оптические кабели во многом превосходят электрические! Они имеют большую пропускную способность. При одинаковой пропускной способности они в 5-6 раз тоньше и в 10 pan легче электрических. Оптическим кабелям не страшны удары молний, их не разъедает коррозия; на них не влияют ни радиостанции, ни метрополитен; в них не рождаются взаимные помехи. А сколько де-фицитной меди экономят эти кабели! Между тем запасы кварцевого стекла в природе практически не ограничены. Без риска ошибиться предречем: за ними будущее.

Сейчас оптические кабели переживают свой «младенческий воз раст», но чуть ли не каждый день они находят себе новые примене-ния: связывают между собой города и континенты, соединяют АТС разных районов города, приходят в квартиры жителей.

Контрольные вопросы

1. Какова конструкция городских (междугородных) медных кабелей связи?

2. Какие типы радиолиний вы знаете?

3. Как получают оптическое волокно?

4. Какие существуют типы оптических волокон?

5. Каким образом цифровой сигнал вводится в оптическое волокно?

6. В чем преимущества оптических кабелей по сравнению с медными?

Список литературы

1. Крук Б.И., Попов Г.Н. ...И мир загадочный за занавесом цифр: Цифровая связь. -2-е изд., испр. - Новосибирск: ЦЭРИС, 2001. - 264 с.

2. Белоруссов Н.И. Электрические кабели, шнуры и провода. Справочник. - М.: Энер-гоатомиздат, 1988.-536с.

3. Семенов А.Б. и др. Структурированные кабельные системы. - М.: Компьютер Пресс, 1999.-421 с.

4. Убайдуллаев P.P. Волоконно-оптические сети. - М.: ЭКО-Трендз, 1998. -266 с.

5. Скляров O.K. Современные волоконно-оптические системы передачи. - М.: СОЛОН-Р. 2001.-237 с.